專利名稱：多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料及制備方法，屬于材料領(lǐng)域。二、 背景技術(shù)隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)向具有高推重比和大推動(dòng)力方向發(fā)展，采用的主要措 施是提高渦輪機(jī)進(jìn)口溫度。這使得原有的制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫合金材料已經(jīng)不能滿足要求。 為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的使用溫度，目前普遍采用的方法是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)和各類燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪機(jī)工 作葉片、導(dǎo)向葉片、渦輪盤、燃燒室等熱端部件表面先涂覆一層如NiCrAlY等的過(guò)渡合金層， 再在其上涂履一層6 8%氧化釔(YA)部分穩(wěn)定的氧化鋯(ZiU) (Y-PSZ)熱障涂層材料， 以降低發(fā)動(dòng)機(jī)基體材料的溫度，防止發(fā)動(dòng)機(jī)基體材料的氧化、腐蝕，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度， 延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。然而目前使用的Y-PSZ基熱障涂層材料具有以下缺點(diǎn)1)當(dāng)使用溫度高 于IIO(TC時(shí)，涂層易燒結(jié)，涂層內(nèi)的微裂紋和微孔會(huì)愈合，而導(dǎo)致陶瓷涂層致密化，引起涂 層材料體積的變化，加劇涂層與基體的應(yīng)力不匹配，進(jìn)一歩導(dǎo)致涂層缺陷的產(chǎn)生。2)當(dāng)使用溫度超過(guò)70(TC， Y-PSZ熱障涂層中大量的氧空^:會(huì)加速氧離子傳輸而導(dǎo)致金屬粘結(jié)層的快速氧化，使其體積增加，應(yīng)力增大，最終熱障涂層失效。3)隨著工作溫度的升高，這類材料 在117(TC左右發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，伴隨著約7%的體積膨脹。由此引起的 3% 6%的熱應(yīng)力也會(huì)促進(jìn)氧化鋯基熱障涂層在高溫失效。上述缺點(diǎn)限制了航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度 的提高，阻礙航空航天工業(yè)的進(jìn)一歩發(fā)展。三、 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高Zr02熱障涂層的使用溫度、抑制涂層燒結(jié)及降低材 料熱導(dǎo)率的多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料。 技術(shù)解決方案本發(fā)明由下列物料按摩爾分?jǐn)?shù)組成氧化鋯Zr02 0.82-0.84、氧化釔Y203 0.08-0.09 、 氧化鈮NbA或氧化鉭TaA 0.08-0.09，稀土氧化物占上述總物料的摩爾分?jǐn)?shù)為 0. 001-0. 03。制備方法如下以氧化鋯球?yàn)檠心ンw在聚氨酯球磨罐中濕法球磨12 24h,烘干漿料， 烘干溫度為6(T10(TC，模壓成型;成型體在高溫爐內(nèi)于1200 1600°〇的溫度下進(jìn)行預(yù)燒5 24h， 得到預(yù)燒塊體；將上述預(yù)燒塊體粉碎，再次放入聚氨酯球磨罐中用氧化鋯球進(jìn)行濕法球磨 12 24h，得到陶瓷漿料；將上述陶瓷漿料在干燥箱中干燥，干燥溫度為60 10(TC，然后進(jìn)行 造粒，模壓成型并利用等靜壓二次成型；成型的坯體在1250 160(TC燒結(jié)5 24h，得到多元共 穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料；該陶瓷材料可作為EB-PVD法制備熱障涂層的靶材。本發(fā)明由于在YSZ中引入第三相NbA/TaA來(lái)拓展t-Zr(X,的穩(wěn)定存在區(qū)間從而獲得非轉(zhuǎn) 變的t' -ZxU，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)加入稀土氧化物，增加缺陷，提高聲子或光子散射，從 而起到提高Zr02熱障涂層的使用溫度，抑制涂層燒結(jié)以及降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)的作用。四

圖1為本發(fā)明合成的熱障陶瓷材料X-射線衍射結(jié)果圖； 圖2為本發(fā)明合成的熱障陶瓷材料熱擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定結(jié)果圖； 圖3為本發(fā)明合成的熱障陶瓷材料導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定結(jié)果圖； 圖4為本發(fā)明合成的熱障陶瓷材料熱膨脹系數(shù)測(cè)定結(jié)果圖； 圖5為本發(fā)明合成的添加NbA熱障陶瓷材料的SEM照片； 圖6為本發(fā)明合成的添加TaA熱障陶瓷材料的SEM照片。五具體實(shí)施方式
實(shí)施例1:根據(jù)計(jì)算稱量Zr02 19. 490克、YA 3. 555克、TaA 6.956克、NdA 1.276克，裝入聚 氨酯球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心ンw，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，20小時(shí)后取出放入烘箱中8CTC 烘至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇作成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利 用臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至155(TC，保溫5小時(shí)， 隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)檠心ンw濕磨24h，放入烘箱中70°C 烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)fi^燒結(jié)，燒結(jié)溫度1600°C， 時(shí)間5h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYT-1。實(shí)施例2:根據(jù)計(jì)算稱量19. 490克Zr02 、 3. 555克YA 、 6. 956克Ta205以及1. 323克Sm203,裝入 球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心バ?，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，16小時(shí)后取出放入烘箱中6(TC烘 至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇作成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利用 臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至1450°C，保溫10小時(shí)， 隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)檠心ンw濕磨16h，放入烘箱中7CTC 烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1300°C， 時(shí)間20h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYT-2。實(shí)施例3:根據(jù)計(jì)算稱量19. 490克Zr02 、 3. 555克Y203 、 6. 956克Ta205以及1. 375克Gd2Q,，裝 入球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心ンw，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，18小時(shí)后取出放入烘箱中90°C 烘至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇作成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利 用臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至1300°C，保溫12小 時(shí)，隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)檠心ンw濕磨18h，放入烘箱 中7(TC烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1400°C， 時(shí)間12h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYT-3。實(shí)施例4:根據(jù)計(jì)算稱量19. 490克Zr02 、 3. 555克Y20:, 、 4.184克Nb205以及1. 276克Nd203 ，裝 入球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心ンw，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，20小時(shí)后取出放入烘箱中9(TC 烘至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇制成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利 用臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至1500°C，保溫8小時(shí)， 隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)檠心ンw濕磨22h，放入烘箱中70°C 烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度M5(TC， 時(shí)間10h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYN-1。實(shí)施例5:根據(jù)計(jì)算稱量19. 490克Zr(X' 、 3. 555克Y20., 、 4.184克Nb205以及1. 323克Sm203 ，裝 入球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心ンw，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，22小時(shí)后取出放入烘箱中70°C 烘至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇制成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利 用臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至1550°C，保溫6小時(shí)， 隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)檠心ンw濕磨20h，放入烘箱中70°C 烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度1600°C， 時(shí)間5h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYN-2。實(shí)施例6:根據(jù)計(jì)算稱量19. 4905克Zr02 、 3. 555克Y203 、 4.184克Nb205以及1. 375克GdA ，裝 入球磨罐內(nèi)，以氧化鋯球?yàn)檠心ンw，加入適量乙醇進(jìn)行濕磨，18小時(shí)后取出放入烘箱中7(TC 烘至恒重。然后將干燥粉末轉(zhuǎn)移至研缽中加入少許由聚乙烯醇制成的黏結(jié)劑進(jìn)行造粒，并利 用臺(tái)式壓片機(jī)模壓成型。將上述壓制所得素坯放入二硅化鉬爐中預(yù)燒至140(TC，保溫20小 時(shí)，隨爐冷卻后取出。將預(yù)燒后的素坯碾碎，繼續(xù)以氧化鋯球?yàn)槭_(kāi)磨體濕磨24h，放入烘箱 中7(TC烘至恒重，再次造粒、模壓成型、排膠，然后送入高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度140(TC， 時(shí)間20h，得到多元共穩(wěn)定熱障陶瓷材料ZYN-3。
權(quán)利要求
1、多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料，其特征在于；由下列物料按摩爾分?jǐn)?shù)組成氧化鋯ZrO20.82-0.84、氧化釔Y2O30.08-0.09、氧化鈮Nb2O5或氧化鉭Ta2O50.08-0.09，稀土氧化物占上述總物料的摩爾分?jǐn)?shù)為0.001-0.03。
2、多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料的制備方法，其特征在于；制備方法如下以氧化鋯 球?yàn)檠心ンw，將上述原料在球磨罐中濕法球磨12 24h，烘干漿料，烘干溫度為6(T10(TC，模 壓成型；成型體在高溫爐內(nèi)于120(Tl60(rC的溫度下進(jìn)行預(yù)燒5 24h，得到預(yù)燒塊體；將上述 預(yù)燒塊體粉碎至lmm以下，再次放入球磨罐中用氧化鋯球進(jìn)行濕法球磨，球磨時(shí)間12~24h 得到陶瓷漿料；將上述陶瓷漿料在干燥箱中干燥，干燥溫度為60 10(TC，然后進(jìn)行造粒，模 壓成型并利用等靜壓二次成型；成型的坯體在1250 1600'C燒結(jié)5~24h，得到多元共穩(wěn)定氧化 鋯熱障涂層材料。;、根據(jù)權(quán)利要求1所述的多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料，其特征在于；稀土氧化物為 氧化釹Nd203、氧化釤Sm203、氧化釓Gd203或氧化鑭La203。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料及制備方法，屬于材料領(lǐng)域。特點(diǎn)是由下列物料的摩爾分?jǐn)?shù)組成氧化鋯、氧化釔、氧化鈮或氧化鉭、稀土氧。制備方法用氧化鋯球濕法研磨，烘干，模壓；預(yù)燒，得預(yù)燒塊體；將預(yù)燒塊體粉碎，再進(jìn)行濕法球磨，得漿料；將漿料干燥、造粒，模壓得坯體，坯體燒結(jié)即可多元共穩(wěn)定氧化鋯熱障涂層材料；該陶瓷材料可作為EB-PVD法制備熱障涂層的靶材。本發(fā)明在YSZ中引入第三相Nb₂O₅/Ta₂O₅來(lái)拓展t-ZrO₂的穩(wěn)定存在區(qū)間從而獲得非轉(zhuǎn)變的t’-ZrO₂，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)加入稀土氧化物，增加缺陷，提高聲子或光子散射，從而提高了ZrO₂熱障涂層的使用溫度以降低材料的導(dǎo)熱系數(shù)。
文檔編號(hào)C04B35/48GK101397214SQ20081017417
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月5日
發(fā)明者于海濤, 安勝利, 宋希文, 李培忠, 敏 謝, 鳴 趙, 巍 郭 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙古科技大學(xué)