一种RE-Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层技术

本发明专利技术公开了一种RE

【技术实现步骤摘要】
一种RE
‑
Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层


[0001]本专利技术涉及热障涂层材料制备领域，特别涉及一种RE
‑
Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层。

技术介绍

[0002]现有技术中，在航空发动机热端部件表面涂覆一层耐高温、低导热、抗腐蚀的热障涂层，从而降低其表面温度、提高基体合金的抗高温氧化腐蚀性能。在热障涂层体系中起到热绝缘作用的最主要部分是陶瓷层，陶瓷层材料通常由热导率低、抗热蚀性、抗烧结性能好、热膨胀系数高、韧性好的陶瓷材料制成。在热障涂层正常工作条件下，热障涂层陶瓷顶层部分直接与高温气体接触，工作环境恶劣。由此看出，陶瓷顶层材料的研究，对热障涂层的发展具有十分重要的意义。
[0003]目前，8YSZ热障涂层已经成功应用于航空发动机叶片、燃烧室以及其它高温部件的热防护。但是8YSZ由于高温相变和加速烧结的问题导致其不能在1200℃以上长时间工作，而推重比10一级的发动机，叶片的表面温度需要在1200℃以上。因此，随着先进航空发动机推重比的进一步增加，涡轮前温度的进一步提高，经典的8YSZ热障涂层陶瓷材料已经无法满足需求。
[0004]广泛受到关注的新一代热障涂层陶瓷顶层材料有稀土元素掺杂氧化锆、钙钛矿结构材料、六铝酸盐材料、萤石结构材料和烧绿石结构材料等，其中烧绿石和萤石结构的材料是最有希望成为下一代超高温陶瓷顶层材料。烧绿石结构的Gd2Zr2O7(锆酸钆)由于具有良好的热物理性能和优异的抗熔盐(CMAS)腐蚀性能而备受关注。当用Gd2Zr2O7作为热障材料时，在室温至1550℃温度下均保持稳定，温度超过1550℃以后会出现烧绿石结构向萤石结构转变，但是此相变仅是有序相向无序相转变的过程，没有体积的变化；除此之外Gd2Zr2O7的热导率远低于YSZ(氧化钇稳定氧化锆)。
[0005]相较于传统的8YSZ热障材料相比，Gd2Zr2O7作为新一代超高温陶瓷顶层材料主要有以下缺陷：(1)Gd2Zr2O7材料不具备8YSZ材料的相变增韧机制；(2)发动机热循环时，Gd2Zr2O7陶瓷层材料的较低热膨胀系数(TEC)会引起较高的热应力，这会更容易引发裂纹并促进裂纹扩展，从而较低的断裂韧性和较低的热膨胀系数可能造成陶瓷层的过早失效，致使热障涂层无法发挥热防护的作用。
[0006]因此，如何改善Gd2Zr2O7陶瓷材料的隔热性能，使热障涂层材料体系在保持较低的热导率的同时，提高断裂韧性、热膨胀系数。

技术实现思路

[0007]为解决上述问题，本专利技术提供了一种RE
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Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层，具体内容如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供了一种RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料的化学式为(Gd1‑
x
RE
x
)2‑
z
(Zr1‑
y
Hf
y
)
2+z
O
7+δ
；其中，x为掺杂RE元素的含量，y为
掺杂Hf和/或过量的Zr的含量，z表征了(Gd+RE)与Zr(Hf)之间的化学计量比，δ为掺杂所述RE元素所导致的氧空位的浓度；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤2，0≤δ≤1。
[0009]优选地，所述RE元素掺杂并取代Gd的位置，所述Hf和/或过量的Zr掺杂并取代Zr的位置。
[0010]优选地，所述RE元素为La、Sm、Yb稀土元素中的任一种。
[0011]第二方面，本专利技术提供了一种制备上述第一方面所述的RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料的方法，包括以下步骤：
[0012]步骤1、按照(Gd1‑
x
RE
x
)2‑
z
(Zr1‑
y
Hf
y
)
2+z
O
7+δ
的化学式称量原料，将所述原料通过粉体合成方法进行合成，得到RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体；其中，x为掺杂RE元素的含量，y为掺杂Hf和/或过量的Zr的含量，z表征了(Gd+RE)与Zr(Hf)之间的化学计量比，δ为掺杂所述RE元素所导致的氧空位的氧空位浓度；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤2，0≤δ≤1；
[0013]步骤2、将所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体制成所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料包括粉体和陶瓷靶材两种形态。
[0014]优选地，所述步骤2包括：
[0015]对所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体进行造粒处理得到造粒粉；
[0016]采用冷等静压成型工艺对所述造粒粉进行预成型，得到靶材坯料；
[0017]对所述靶材坯料进行高温烧结，得到陶瓷靶材形态的所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料。
[0018]优选地，所述造粒处理的方法包括喷雾造粒、模压造粒中的任一种，所述冷等静压成型工艺的压力为100MPa～250MPa，所述冷等静压成型工艺的保压时间为1～10min，所述高温烧结的温度为900℃～1600℃，所述高温烧结的保温时间为2～6h。
[0019]优选地，所述步骤2包括：
[0020]对所述RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体直接进行喷雾造粒或模压造粒的造粒处理得到粉体形态的所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料。
[0021]优选地，在所述步骤1中，所述粉体合成方法包括固相合成法、共沉淀法、溶胶凝胶法中的任一种。
[0022]优选地，在所述粉体合成方法采用固相合成法的情况下，所述原料为La2O3、Sm2O3、Yb2O3稀土氧化物中的任一种、Gd2O3、ZrO2以及HfO2；
[0023]在所述粉体合成方法采用共沉淀法、溶胶凝胶法的情况下，所述原料为La2O3、Sm2O3、Yb2O3稀土氧化物中的任一种、Gd2O3、ZrOCl2·
8H2O以及HfOCl2·
8H2O。
[0024]第三方面，本专利技术提供了一种热障涂层，采用电子束物理气相沉积法，将第二方面所述的方法得到的所述陶瓷靶材形态的所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料制成所述热障涂层，或，采用大气等离子喷涂法和等离子喷涂物理气相沉积法，将第二方面所述的方法得到的所述粉体形态的所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料制成所述热障涂层。
[0025]与现有技术相比，本专利技术具备以下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，其特征在于，所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料的化学式为(Gd1‑
x
RE
x
)2‑
z
(Zr1‑
y
Hf
y
)
2+z
O
7+δ
；其中，x为掺杂RE元素的含量，y为掺杂Hf和/或过量的Zr的含量，z表征了(Gd+RE)与Zr(Hf)之间的化学计量比，δ为掺杂所述RE元素所导致的氧空位的浓度；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤2，0≤δ≤1。2.根据权利要求1所述的RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，其特征在于，所述RE元素掺杂并取代Gd的位置，所述Hf和/或过量的Zr掺杂并取代Zr的位置。3.根据权利要求1所述的RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，其特征在于，所述RE元素为La、Sm、Yb稀土元素中的任一种。4.一种制备上述权利要求1
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3任一项所述的RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、按照(Gd1‑
x
RE
x
)2‑
z
(Zr1‑
y
Hf
y
)
2+z
O
7+δ
的化学式称量原料，将所述原料通过粉体合成方法进行合成，得到RE
‑
Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体；其中，x为掺杂RE元素的含量，y为掺杂Hf和/或过量的Zr的含量，z表征了(Gd+RE)与Zr(Hf)之间的化学计量比，δ为掺杂所述RE元素所导致的氧空位的氧空位浓度；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤2，0≤δ≤1；步骤2、将所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7粉体制成所述RE
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Zr(Hf)共掺杂Gd2Zr2O7材料，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王星明，刘宇阳，王星奇，储茂友，白雪，彭程，
申请(专利权)人：有研科技集团有限公司，
类型：发明
国别省市：