熱障涂層材料、熱障涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及陶瓷復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種熱障涂層材料、熱障涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空、航天及民用技術(shù)的發(fā)展，渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件的使用溫度要求越來越高。以航空渦輪發(fā)動機(jī)為例，其發(fā)展趨勢是向高流量比、高推重比方向發(fā)展，渦輪發(fā)動機(jī)進(jìn)口溫度進(jìn)一步提高，從而可以大大提高發(fā)動機(jī)效率。推重比10級航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計出口溫度已達(dá)到1577°c以上，這是目前任何高溫合金都難以承受的工作溫度。雖然經(jīng)過多年的研究，用于渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件的高溫合金的使用溫度已提高至1100°C左右(單晶高溫合金)，但仍難滿足現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計要求。采用氣膜冷卻技術(shù)可以降低高溫部件的表面溫度從而提高其使用溫度，但采用氣膜冷卻技術(shù)在降低高溫部件溫度的同時，不可避免地?fù)p失了很大一部分能量，從而降低渦輪發(fā)動機(jī)的效率。在這種情況下，另一種降低渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件工作溫度的可行技術(shù)一熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前普遍使用的陶瓷熱障涂層材料是摻入6?8wt.%Y203部分穩(wěn)定的ZrO2陶瓷(YSZ)。YSZ具有較高的熱膨脹系數(shù)Γ?IX 10_6 Γ1)，較低的熱導(dǎo)率(2.(T2.1 WnT1IT1)及良好的抗熱沖擊性。但是YSZ的長期使用溫度在1200°C左右，隨著溫度的進(jìn)一步升高，涂層出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，一方面，隨著溫度升高，YSZ涂層發(fā)生燒結(jié)，從而導(dǎo)致涂層熱導(dǎo)率及彈性模量升高，使得涂層的應(yīng)變?nèi)菹尴陆?；另一方面，在熱循環(huán)過程中，YSZ涂層由亞穩(wěn)四方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较嗪土⒎较?，然后轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕啵a(chǎn)生大約4%的體積變化，導(dǎo)致涂層中形成裂紋，從而破壞了涂層的結(jié)構(gòu)完整性。
[0004]考慮到以上因素，必須開發(fā)新型陶瓷熱障涂層材料來取代YSZ，從而應(yīng)用到更高的使用溫度條件下?？偟膩碚f，新型陶瓷熱障涂層材料應(yīng)該具有與YSZ相比更低的熱導(dǎo)率、相當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)、更低的燒結(jié)速率及相當(dāng)?shù)臄嗔秧g性。稀土改性SrZrO3具有很高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率以及抗燒結(jié)的特點，是高溫?zé)嵴贤繉拥暮蜻x材料。德國專利DE19801424公開了可以用于1000°C以上的陶瓷高溫隔熱材料，具體為具有燒綠石結(jié)構(gòu)的La2Zr2O7和具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的BaZrO3與SrZrO3。稀土鋯酸鹽(Ln2Zr2O7, Ln=La, Nd, Sm, Eu，Gd，Dy)具有相對較低的熱導(dǎo)率和氧傳導(dǎo)率，但其熱膨脹系數(shù)相對較低、韌性較差。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鋯酸鍶(SrZrO3)具有相對較高的熱膨脹系數(shù)和優(yōu)異的高溫化學(xué)穩(wěn)定性，但其熱導(dǎo)率相對較高、韌性較差，且從室溫到高溫條件下相穩(wěn)定性較差。此外，不論是稀土鋯酸鹽還是鋯酸鍶，由其制備的熱障涂層的熱循環(huán)壽命相對較短。
[0005]目前，上述材料的制備方法主要是高溫固相反應(yīng)法，以SrC03、Ln2O3 (Ln=La, Nd, Sm,Eu，Gd，Dy)和ZrO2為原料，經(jīng)球磨、烘干、煅燒合成，煅燒溫度通常在1400°C以上，煅燒時間長，需要多次重復(fù)上述過程才能得到所需粉體材料，由此粉體制備的塊材的晶粒尺寸較大，使得塊材的熱導(dǎo)率相對較高、力學(xué)性能相對較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]基于上述問題，本發(fā)明提供一種具有低熱導(dǎo)率、高韌性的熱障涂層材料、熱障涂層及其制備方法。
[0007]一種熱障涂層材料,該熱障涂層材料的化學(xué)組成為[(LapxRx) 2Zr207] y (SrZrO3) h ,其中，O彡X彡0.5，0.3彡y彡0.7，R為Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一種或一種以上的組合。
[0008]作為上述實施方式的進(jìn)一步改進(jìn),所述熱障涂層材料為(La2Zr2O7) U(SrZrO3)tH(La2Zr2O7) 0.5 (SrZrO3) Q.5、(La2Zr2O7) 0.7 (SrZrO3)3、[ (La0 7Ra 3) 2Zr207] 0.3 (SrZrO3)7、[ (La0 7R0.3) 2Zr207] 0.5 (SrZrO3) 0.5、[ (La0.7R0.3) 2Zr207] 0.7 (SrZrO3) 0.3、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.3 (SrZrO3) 0.7、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.5 (SrZrO3) 0.5、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.7 (SrZrO3) 0.3 中的任意一種。
[0009]一種熱障涂層材料的制備方法，該制備方法包括:
以 Sr (NO3) 2、R(NO3) 3.6H20、La (NO3) 3.6H20 和 Zr (NO3) 4.5H20 為原料，按(l_x) y:2xy:(1+y):( 1-y)摩爾比混合，其中，O 彡 X 彡 0.5，0.3 彡 y 彡 0.7，R 為 Nd，Sm，Eu，Gd，Dy 中一種或一種以上的組合；
將所述原料用去離子水配制成透明溶液；
在攪拌下將所述透明溶液添加到適量的稀氨水或者草酸銨溶液中，得懸浮液；
將所述懸浮液陳化后抽濾，抽濾時用去離子水反復(fù)洗滌沉淀，得濾餅；
所述濾餅經(jīng)干燥、煅燒后，即可獲得熱障涂層材料成品。
[0010]作為上述實施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述濾餅在8(Tl20°C、真空條件下干燥12?24小時后，獲得前驅(qū)體。
[0011]作為上述實施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述前驅(qū)體在90(Tl20(rC、空氣氣氛下煅燒Γ4小時，獲得熱障涂層材料成品。
[0012]一種熱障涂層，其包括依次疊設(shè)的鎳基高溫合金基體、金屬黏結(jié)層和陶瓷層，所述金屬粘結(jié)層為MCrAH系列的合金材料，M為N1、Co和Fe中一種或兩種以上組合，所述陶瓷層為上述所述的熱障涂層材料。
[0013]作為上述實施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述熱障涂層還包括夾設(shè)于所述金屬粘結(jié)層和所述陶瓷層之間的8YSZ陶瓷層。
[0014]作為上述實施方式的進(jìn)一步改進(jìn)，所述金屬粘結(jié)層、陶瓷層和8YSZ陶瓷層采用等離子噴涂法或電子束物理氣相沉積法疊設(shè)于所述鎳基高溫合金基體表面。
[0015]相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的熱障涂層材料具有較低的熱導(dǎo)率和較高的斷裂韌性，熱導(dǎo)率約為0.6^1.3W.πΓ1.Γ1，斷裂韌性約為1.6^2.1 MPa.m1/2，而且所述熱障涂層材料在室溫?1450°C溫度范圍內(nèi)具有很好的相穩(wěn)定性，經(jīng)1450°C溫度長期熱處理后，所述熱障涂層材料的相態(tài)幾乎不再變化，在同等溫度條件下，所述熱障涂層材料的熱導(dǎo)率比La2Zr2O7和SrZrO3的熱導(dǎo)率分別降低20%和40%以上。此外，本發(fā)明提供的熱障涂層材料的制備方法簡單、原料豐富易得、成本適中，同時，本發(fā)明提供的熱障涂層具有較低的熱導(dǎo)率和較高的斷裂韌性。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明提供的熱障涂層一較佳實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明提供的熱障涂層另一較佳實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為實施例2提供的熱障涂層材料的XRD圖譜；
圖4為實施例2提供的熱障涂層材料1450°C溫度下經(jīng)不同熱處理時間的XRD圖譜；
圖5為實施例f 3中熱障涂層材料的熱導(dǎo)率曲線圖；
圖6為實施例f 3中熱障涂層材料的斷裂韌性圖。
【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定發(fā)明。
[0018]本發(fā)明的目的在于提供一種熱障涂層材料，其化學(xué)組成為[(LahRx) 2Zr207]y (SrZrO3)1^y，其中，O 彡 x 彡 0.5，0.3 彡 y 彡 0.7，R 為 Nd，Sm，Eu，Gd，Dy 中一種或一種以上的組合。
[0019]本發(fā)明實施例中，所述熱障涂層材料可以為(La2Zr2O7)a3(SrZrO3)c^(La2Zr2O7) 0.5 (SrZrO3) Q.5、(La2Zr2O7) 0.7 (SrZrO3)3、[ (La0 7Ra 3) 2Zr207] 0.3 (SrZrO3)7、[ (La0 7R0.3) 2Zr207] 0.5 (SrZrO3) 0.5、[ (La0.7R0.3) 2Zr207] 0.7 (SrZrO3) 0.3、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.3 (SrZrO3) 0.7、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.5 (SrZrO3) 0.5、[ (La0.5R0.5) 2Zr207] 0.7 (SrZrO3) 0.3 中的任意一種。
[0020]本發(fā)明的另一個目的是提供