一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法，该热障涂层的化学组成为(RE

【技术实现步骤摘要】
一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法
本专利技术涉及超低热导率耐高温陶瓷材料的制备技术，特别地，涉及一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法。
技术介绍
热障涂层(ThermalbarrierCoating,TBC)是指沉积在耐高温合金部件(如航空发动机热端部件)表面、具有优异隔热性能的陶瓷涂层体系。它的应用可显著降低基体的工作温度，保护金属基体免受高温燃气冲蚀，提高其高温工作寿命，进而提升航空发动机的推力和推重比。热障涂层材料需要具有低热导率、高熔点、高化学稳定性，与金属基体相匹配的热膨胀系数以及良好的抗烧结性能。其中，具有优异的耐温性、优异的隔热性能是热障涂层材料的核心性能要求。随着新一代航空发动机的发展，其推力和推重比不断提升，造成其涡轮前进口温度不断提升，如目前研究的四代机其前进口温度超过1500℃，而五代机其涡轮前进口温度将超过1700℃，但是传统的t’-YSZ热障涂层的服役温度一般认为不应超过1200℃，已经难以满足应用需求，需要开发耐温性更加优异的高温热障涂层材料。目前，稀土锆酸盐RE2Zr2O7被学界认为是最有前景的高温热障涂层材料。它具有以下优点：1)优异的耐温性能，烧绿石/萤石型立方相稀土锆酸盐RE2Zr2O7一般从室温到其熔点保持单相，并且其熔点一般接近甚至超过2000℃；2)热导率相对较低；3)更低的氧透过率，有利于延缓热生长氧化物层(TGO)的生长，这对延长其寿命是有利的；4)烧绿石/萤石型立方相稀土锆酸盐RE2Zr2O7具有十分开放的晶格，即其RE位(或称为A位)和Zr位(或称为B位)都可以被化学性质相似的原子取代，因此，可对其热物理性能(即热导率、热膨胀系数等)进行进一步设计和调控，从而更好地满足热障涂层对材料性能的需求。稀土锆酸盐开放的晶格结构为该材料的设计和性能优化提供了自由度。鉴于热障涂层材料的隔热性能的极端重要性，即隔热性能的提高直接关系到涡轮前进口温度的提升，进而提高航空发动机的推力和推重比。因此，业内一直存在对具有超低热导率的高温热障涂层材料的迫切需求。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，基于立方相烧绿石稀土锆酸盐RE2Zr2O7晶格调控技术，在RE位和Zr位同时引入适当的掺杂离子，显著降低其热导率，从而有效提高热障涂层在服役温度下的隔热性能，最终提升航空发动机的推力和推重比。为实现上述目的，本专利技术提供了一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，其具有下述化学组成：(RE1-xAx)2(Zr1-yBy)2O7，其中，A3+取代RE位，取代离子A3+的离子半径小于原离子RE3+，B4+取代Zr位，取代离子B4+的离子半径大于原离子Zr4+；当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小不超过5％时，0<x≤0.5；当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小10～15％时，0<x≤0.4；当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小超过20％时，0<x<0.05；所述取代离子B4+的离子半径比原离子Zr4+大15％～20％，且y的取值为0<y≤0.4；取代后，RE位离子半径与Zr位离子半径之比在1.46～1.78之间；RE为任意一种稀土元素，掺杂元素A为钇或钪或铋或铟或任意一种镧系元素。进一步地，所述掺杂元素A可为铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)中的任意一种镧系元素，也可为钇(Y)，钪(Sc)，铋(Bi)，铟(In)中的任意一种；所述RE为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的任意一种；所述掺杂元素B为铈。进一步地，所述超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料制作成制备100％致密度陶瓷块体的全温域热导率为1.0～1.10W/mK。进一步地，所述超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料采用等离子体喷涂工艺制备的热障涂层适用于室温到1700℃的温度。本专利技术还提供了一种上述的一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将A2O3,RE2O3,ZrO2,BO2粉体按照摩尔比(1-x):x:(1-y):y的比例称重，后将其在高能球磨罐中以蒸馏水为介质进行高能球磨，所得粉体浆料经过冷冻干燥后在高温煅烧，使得所混合的氧化物充分反应，生成所需组分(RE1-xAx)2(Zr1-yBy)2O7；步骤二、将步骤一所得组分在研钵中充分破碎，后经高能球磨，所得浆料经过冷冻干燥得到分散良好的粉体；步骤三、将步骤二得到的粉体通过冷压成型、烧结，制备99％以上致密度的超低热导率改性烧绿石热障涂层材料。进一步地，步骤一中，煅烧温度为1300～1500℃，煅烧时间为20～24小时。进一步地，步骤一和步骤二中，高能球磨的转速均为300～500r/min，球磨时间均为10～24小时。进一步地，步骤三中，冷压成型压力为50～200MPa，烧结温度为1500℃～1700℃，保温时间1～3小时。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，基于立方相烧绿石稀土锆酸盐RE2Zr2O7晶格调控技术，即在RE位和Zr位同时引入适当的掺杂离子，可显著降低其热导率。所述RE位掺杂是指在RE位引入尺寸更小(或与周围结合更弱)的掺杂离子，从而引入谐振子共振散射声子效应；所述Zr位掺杂是指在Zr位引入尺寸更大的掺杂离子(包括但不限于Ce4+)，形成软化晶格效应。在Zr位引入尺寸更大掺杂离子形成的软化晶格效应主要是基于ZrO6八面体形成了立方烧绿石相的骨架，更大尺寸掺杂离子B4+的引入弱化了B-O键合强度，即将烧绿石晶体骨架变软，从而形成软化晶格效应。在RE位引入谐振子后，增加了晶格振动的非谐振性；同时在Zr位置引入大尺寸的掺杂离子形成软化晶格效应，在两种效应叠加下，使得共掺杂烧绿石具有极低的高温晶格平台区热导率kmin(即高温晶格热导率)。其中，高温晶格平台区热导率kmin与(E/Maγ)0.5成比例，其中E为晶体的弹性模量，M和a3分别为晶体中平均原子质量和体积，γ为表征晶格振动非谐振性参量。以上表明，在RE位和Zr位同时引入适当的掺杂离子形成立方相烧绿石稀土锆酸盐RE2Zr2O7在高温下具有更低的热导率，这显然是有利于热障涂层在服役高温下隔热性能的进一步提升的。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1给出了实施例3、对比例1-3的热导率随温度变化规律曲线；图2给出了实施例3、对比例1、4和5的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，其特征在于，/n具有下述化学组成：(RE

【技术特征摘要】
1.一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，其特征在于，
具有下述化学组成：(RE1-xAx)2(Zr1-yBy)2O7，
其中，A3+取代RE位，取代离子A3+的离子半径小于原离子RE3+，B4+取代Zr位，取代离子B4+的离子半径大于原离子Zr4+；
当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小不超过5％时，0<x≤0.5；当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小10～15％时，0<x≤0.4；当取代离子A3+的离子半径比原离子RE3+小超过20％时，0<x<0.05；
所述取代离子B4+的离子半径比原离子Zr4+大15％～20％，且y的取值为0<y≤0.4；
取代后，RE位离子半径与Zr位离子半径之比在1.46～1.78之间；
RE为任意一种稀土元素，掺杂元素A为钇或钪或铋或铟或任意一种镧系元素。


2.根据权利要求1所述的一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，其特征在于，所述RE为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的任意一种；所述掺杂元素A为铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇和钪中的任意一种镧系元素，或者钇，钪，铋和铟中的任意一种；所述掺杂元素B为铈。


3.根据权利要求1所述的一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料，其特征在于，所述超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料制作成100％致密度陶瓷块体的全温域热导率为1.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王衍飞，刘荣军，万帆，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43