【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于高温热防护涂层领域，涉及一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体及超高温热障涂层的制备方法。
技术介绍
1、以热障涂层(tbc)为代表的陶瓷涂层广泛应用于航空发动机、燃汽轮机热端部件上，保护高温合金基体，起到抗高温、抗氧化及耐磨损的作用，这对国防及国民经济建具有极其重要的意义。传统热障涂层表面材料为氧化钇稳定氧化锆(ysz)，其使用温度在1200℃以下，当工作温度长期高于1200℃时，ysz会发生相变与烧结，造成其力学性能以及热物理性能的急剧恶化，导致涂层的失效，极大地限制了其使用寿命。其次，当前使用的ysz在1000℃时的热导率较高约为2.3w/(m·k)，无法提供较大的隔热温度梯度，以对航空发动机和燃气轮机进行有效的热防护。随着新一代发动机向更高的推重比和更长的服役时间方向迈进，传统氧化锆类材料已无法满足需求。近年来已研制出多种新型热障涂层材料来代替ysz，例如具有烧绿石或萤石结构的稀土锆酸盐(rez)、稀土铝酸盐(rea)、稀土钽酸盐(ret)等。其中稀土锆酸盐具有优异的高温稳定性，较低的热导率，但断裂韧性差和热膨胀系数低等主要缺点限制了其在高温环境中的应用。
2、近年来，多组分熵调控工程为热障涂层材料的设计提供了新的途径。据报道，多组元高熵设计使得高熵陶瓷具备高熵效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应和迟滞扩散效应，使得高熵陶瓷具有相对更高的相稳定性、更低的热导率、性能可调节性和更好的高温力学性能，可以弥补单组分rez tbcs材料的不足。研究表明，对于a2b2o7型锆酸盐来说，a位置高熵设计有助于提高rez
技术实现思路
1、针对现有热障涂层中存在的高温稳定性差、容易发生相变、韧性降低、热膨胀不匹配，最终涂层失效的问题，本专利技术从材料设计角度出发，通过对a2b2o7型锆酸盐的a位置进行高熵设计，b位置进行掺杂改性，提供了一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体及超高温热障涂层的制备方法。本专利技术所需设备简易、工艺简单可调控，制备的高熵粉体为纳米结构，纯度高，纳米结构保留完好，纳米晶细小；制备的超高温热障纳米涂层具有多模态结构，断裂韧性优异，晶粒细小，高温相稳定性好，可提高现有rez tbcs的高温稳定性，改善其断裂韧性和热膨胀系数，可用于作为航空发动机及燃气轮机高性能纳米结构热障涂层材料。
2、本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
3、一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料，所述可喷涂粉体材料为a2b2o7型锆酸盐，其中a由la、nd、sm、gd、yb、eu、tb、dy、lu、y、tm中的5～10种元素等化学计量比组成；b由zr、ce元素组成，zr与ce的化学计量比可以为1：9、2：8、2.5：7.5、5：5、7.5：2.5、8：2、9：1等不同情况，只要b位元素之和的比例和a位元素之和的比例相同即可。
4、一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料的制备方法，包括如下步骤：
5、步骤一、按照化学式a2b2o7所示化学计量比，将纳米a2o3粉体原料与纳米b2o3粉体原料进行称量，其中：
6、所述a2o3粉体原料为纳米la2o3粉体、纳米nd2o3粉体、纳米sm2o3粉体、纳米gd2o3粉体、纳米yb2o3粉体、纳米eu2o3粉体、纳米tb2o3粉体、纳米dy2o3粉体、纳米lu2o3粉体、纳米y2o3粉体、纳米tm2o3中的5～10种；
7、所述纳米b2o3粉体原料为纳米ceo2粉体和纳米zro2粉体；
8、所述纳米la2o3粉体、纳米nd2o3粉体、纳米sm2o3粉体、纳米gd2o3粉体、纳米yb2o3粉体、纳米eu2o3粉体、纳米tb2o3粉体、纳米dy2o3粉体、纳米lu2o3粉体、纳米y2o3粉体、纳米tm2o3、纳米ceo2粉体和纳米zro2粉体的粒径均为10～80nm；
9、所述纳米粉体原料为4n级纯度；
10、步骤二、在球磨机中加入去离子水，然后向去离子水中加入分散剂，待分散剂完全溶解后加入步骤一的纳米粉体原料进行球磨，加入粘结剂，得到均匀浆料，然后经喷雾造粒和固相烧结后得到纳米结构高熵铈锆酸盐球形粉体，其中：
11、所述去离子水的用量是所用纳米粉体原料总质量的0.5～2倍；
12、所述分散剂为三聚磷酸钠(na5p3o10)、六偏磷酸钠((napo3)6)、柠檬酸铵(c6h5o7(nh4)3)、柠檬酸钠(c6h5na3o7)等中的一种或多种，分散剂的用量为纳米粉体原材料总质量的0.05～5％；
13、所述氧化锆磨球的直径为3～8mm，氧化锆磨球的质量为纳米粉体原材料总质量的1～3倍，球磨的时间为4～12h，转数为400～1000转/分钟；
14、所述粘结剂为阿拉伯树胶(acacia)、聚乙烯醇(pva)、羧甲基纤维素(cmc)、环氧树脂等中的一种用量，粘结剂为纳米粉体原材料总质量0.05～10％；
15、所述固相烧结在大气环境下进行，固相烧结的条件为：以1～15℃/min的速率升温至1100～1600℃，保温0.5～3h；
16、所述纳米结构高熵铈锆酸盐球形粉体为晶粒尺寸小于100nm的高熵相，晶粒尺寸优选为20～80μm。
17、一种单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，以高温合金作为基体，基体表面依次设置有合金粘结层、纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层，所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层由纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料喷涂制成，其中：
18、所述高温合金基体可以为镍基、钴基、铁基等合金中的一种或多种；
19、所述合金粘结层可以为nicraly、cocraly、nicocraly、nicralyce、cocralyce、nicocralyce中的一种或多种；
20、所述合金粘结层的厚度为80～200μm；
21、所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷层为高熵相，厚度为30～250μm。
22、一种上述单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层的制备方法，包括如下步骤：
23、步骤一、对高温合金基体表面进行磨抛精加工后进行喷砂处理，使其表面具备一定的粗糙度，然后使用乙醇对其进行超声清洗，随后采用热喷涂技术在其表面制备合金粘结层(mcraly)，其中：
24、所述热喷涂技术可以为大气等离子喷涂(aps)、低压等离子喷涂(lpps)、超音速火焰喷涂(hvof)中的一种；
25、所述大气等离子喷涂的参数为：喷涂距离为100～300mm，送粉速率为5～40g/min，载气流量为6～15scfh，喷涂电流为450～600a，喷涂电压为45～60v，主气流量为30～本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料，其特征在于所述可喷涂粉体材料为A2B2O7型锆酸盐，其中A由La、Nd、Sm、Gd、Yb、Eu、Tb、Dy、Lu、Y、Tm中的5～10种元素组成，B由Zr、Ce元素组成。
2.一种权利要求1所述纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料的制备方法，其特征在于所述纳米La2O3粉体、纳米Nd2O3粉体、纳米Sm2O3粉体、纳米Gd2O3粉体、纳米Yb2O3粉体、纳米Eu2O3粉体、纳米Tb2O3粉体、纳米Dy2O3粉体、纳米Lu2O3粉体、纳米Y2O3粉体、纳米Tm2O3、纳米CeO2粉体和纳米ZrO2粉体的粒径均为10～80nm；所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、柠檬酸铵、柠檬酸钠中的一种或多种；所述粘结剂为阿拉伯树胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂中的一种；所述纳米结构高熵铈锆酸盐球形粉体为晶粒尺寸小于100nm的高熵相；所述氧化锆磨球的直径为3～8mm，氧化锆磨球的质量为纳米粉体原材料总质量的1～3倍，球磨的时
4.一种单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述涂层以高温合金作为基体，基体表面依次设置有合金粘结层、纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层，所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层由权利要求1所述纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料喷涂制成。
5.根据权利要求4所述的单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述高温合金基体为镍基、钴基、铁基合金中的一种或多种；所述合金粘结层为NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlYCe、CoCrAlYCe、NiCoCrAlYCe中的一种或多种，合金粘结层的厚度为80～200μm；所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷层为高熵相，厚度为30～250μm。
6.一种权利要求4-5任一项所述单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于所述热喷涂技术为大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、超音速火焰喷涂中的一种；所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层制备过程中的参数为：喷涂距离为50～250mm，送粉速率为5～20g/min，载气流量为8～145CFH，喷涂电流为600～750A，喷涂电压为60～75，主气流量为30～70SCFH，辅气流量为3～20SCFH。
8.一种双陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述涂层以高温合金作为基体，基体表面依次设置有合金粘结层、纳米结构YSZ陶瓷层、纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层，所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层由权利要求1所述纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料喷涂制成。
9.根据权利要求8所述的双陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述高温合金基体可以为镍基、钴基、铁基合金中的一种或多种；所述合金粘结层可以为NiCrAlY、CoCrAlY、NiCoCrAlY、NiCrAlYCe、CoCrAlYCe、NiCoCrAlYCe中的一种或多种；所述合金粘结层的厚度为80～200μm；所述纳米结构YSZ陶瓷层的厚度为70～200μm；所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷层为高熵相，厚度为30～250μm。
10.一种权利要求8-9任一项所述双陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料，其特征在于所述可喷涂粉体材料为a2b2o7型锆酸盐，其中a由la、nd、sm、gd、yb、eu、tb、dy、lu、y、tm中的5～10种元素组成，b由zr、ce元素组成。
2.一种权利要求1所述纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料的制备方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
3.根据权利要求2所述的纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料的制备方法，其特征在于所述纳米la2o3粉体、纳米nd2o3粉体、纳米sm2o3粉体、纳米gd2o3粉体、纳米yb2o3粉体、纳米eu2o3粉体、纳米tb2o3粉体、纳米dy2o3粉体、纳米lu2o3粉体、纳米y2o3粉体、纳米tm2o3、纳米ceo2粉体和纳米zro2粉体的粒径均为10～80nm；所述分散剂为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、柠檬酸铵、柠檬酸钠中的一种或多种；所述粘结剂为阿拉伯树胶、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、环氧树脂中的一种；所述纳米结构高熵铈锆酸盐球形粉体为晶粒尺寸小于100nm的高熵相；所述氧化锆磨球的直径为3～8mm，氧化锆磨球的质量为纳米粉体原材料总质量的1～3倍，球磨的时间为4～12h，转数为400～1000转/分钟；所述固相烧结在大气环境下进行，固相烧结的条件为：以1～15℃/min的速率升温至1100～1600℃，保温0.5～3h。
4.一种单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述涂层以高温合金作为基体，基体表面依次设置有合金粘结层、纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层，所述纳米结构高熵铈锆酸盐陶瓷涂层由权利要求1所述纳米结构高熵铈锆酸盐可喷涂粉体材料喷涂制成。
5.根据权利要求4所述的单陶瓷层涂层体系的超高温热障涂层，其特征在于所述高温合金基体为镍基、钴基、铁基合金中的一种或多种；所述合金粘结层为nicraly、co...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晓东，王铀，邓路炜，韩旭，李国强，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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