一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料及制備方法技術

本發明專利技術屬于熱障涂層材料領域，具體涉及一種超低熱導率納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料及其制備方法，實驗原料均為納米級氧化物，并對A2B2O7型鋯酸鹽的A位、B位進行稀土摻雜，通過固相合成、噴霧造粒及二次燒結形成致密納米結構團聚體。本發明專利技術的優勢是從材料結構和成分設計兩方面同時進行研究，將會是新型熱障涂層材料的研究方向，采用本技術方案所獲得的熱障涂層粉體材料(La

【技術實現步驟摘要】
一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料及制備方法


[0001]本專利技術屬于熱障涂層材料領域，具體涉及一種超低熱導率納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料及其制備方法。

技術介紹

[0002]熱障涂層(Thermal Barrier Coatings)是一層陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，對于基底材料起到隔熱作用，降低基底溫度，使得用其制成的器件(如發動機渦輪葉片)能在高溫下運行，并且可以提高器件(發動機等)熱效率達到60％以上。熱障涂層可以明顯降低基材溫度、硬度高、化學穩定性好，具有防止高溫腐蝕、延長熱端部件使用壽命、提高發動機功率和減少燃油消耗等優點，TBCs的出現為大幅度改進航空發動機的性能開辟了新途徑。目前廣泛應用于熱障涂層的材料是7～9％的氧化釔部分穩定氧化鋯(8YSZ)，它雖然具有耐蝕、耐磨、耐熱等性能，但由于其在1250℃會發生相變和燒結，使得涂層的熱物理和力學性能急劇惡化，循環壽命降低。隨著航空工業的發展，渦輪發動機的推重比越來越高，渦輪前進口溫度也越來越高。顯然8YSZ不能滿足當下航空發動機更高性能的需求，所以開發新的熱障涂層材料取代現役8YSZ成為必然趨勢。
[0003]熱導率作為熱障涂層隔熱性能的首要指標，如何降低熱導率是熱障涂層材料研究考慮的首要問題。隨著有關稀土鋯酸鹽材料在TBCs方面的應用研究及關于A2B2O7型燒綠石結構高溫相穩定及低熱導率的報道，近些年來，稀土摻雜A2B2O7型結構鋯酸鹽的研究引起了國內外相關技術人員的高度關注，使其成為TBCs研究領域一個新的研究方向。相關研究機構紛紛開始進行各種有關稀土單摻雜和共摻雜鋯酸鹽的研究，其中以摻雜鑭系元素居多。研究表明，合適的稀土元素摻雜量能夠很好地改善鋯酸鹽材料的熱學性能。Harvey等人曾研究了化學組成為(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7(x＝0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0)的這一系列固溶體的性質，發現整個系列均為完整的燒綠石結構，這說明對鋯酸鑭摻雜Nd
3+
不影響其晶體結構，仍然具有高溫相穩定性。目前稀土摻雜鋯酸鹽材料的相關研究雖然較多，但材料多為微米結構，晶粒的大小對材料的性能有顯著影響，正常情況下晶粒越小晶界越多，材料的綜合性能越好。

技術實現思路

[0004]鑒于上述問題，本專利技術提供了一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：實驗原料均為納米級氧化物，并對A2B2O7型鋯酸鹽的A位、B位進行稀土摻雜，通過固相合成、噴霧造粒及二次燒結形成致密納米結構團聚體。
[0005]進一步的，包括如下具體步驟，步驟1：制備La2Zr2O7為基材，并測試基材熱導率；
[0006]步驟2：通過稀土元素單摻雜Nd
3+
部分替代La
3+
獲得熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，其中0＜x≤0.8；通過稀土元素單摻雜Ce
4+
部分替代Zr
4+
獲得熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，其中0＜y≤0.5；
[0007]步驟3：根據x取值不同，所得到不同的熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7與基材熱導
率對比，獲取熱導率最低時x的取值，并獲得對應熱障涂層材料的物料配方A；
[0008]步驟4：根據y取值不同，所得到不同的熱障涂層材料La2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7與基材熱導率對比，獲取熱導率最低時y的取值，并獲得對應熱障涂層材料的物料配方B；
[0009]步驟5：采用配方A與配方B進行La、Zr位進行共摻雜配料，經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩獲得新型熱障涂層粉體材料(La1?
x
Nd
x
)2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7粉末。
[0010]進一步的，所述La2Zr2O7基材,采用氧化物La2O3、ZrO2作為原材料，按摩爾比La2O3：ZrO2＝1：2進行配料，用混料機充分混合經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩制得。
[0011]進一步的，所述熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，采用純度為99.9％、平均粒度為20～30nm的稀土氧化物La2O3、Nd2O3、ZrO2作為原材料，根據x的取值范圍,按照摩爾比(進行配料用混料機充分混合經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩制得。
[0012]進一步的，所述熱障涂層材料La2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7，采用純度為99.9％、平均粒度為20～30nm的氧化物La2O3、ZrO2、CeO2作為原材料，根據y的取值范圍,按照摩爾比(進行配料用混料機充分混合經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩制得。
[0013]進一步的，所述步驟5中，用混料機將配料充分混合，混合后的粉料加入酒精，用球磨機在150～200轉/分鐘下混合充分研磨12～24h，干燥箱80～100℃烘干12～24h，將干燥后的粉體在1350～1500℃恒溫18～24h進行燒結，使粉料充分發生固相合成反應，爐冷至室溫后粉碎、過篩，獲得初始合成粉末。
[0014]進一步的，將上述合成的初始納米粉體里加入去離子水和聚乙烯吡咯烷酮粘接劑(PVP)進行8h的球磨，其中固含量(粉體含量)55％、粘結劑質量分數0.5％、球料比為4：1，形成漿料，之后采用高速離心式噴霧干燥機，在進口溫度250℃、出口溫度120℃、霧化盤轉速為10000r/min的條件下造粒形成團聚體。
[0015]進一步的，對造粒形成團聚體進行二次燒結，燒結工藝為：從室溫以3～5℃/min升溫至450～550℃并保溫2h，再以5℃/min升溫至850～950℃并保溫2h，最后以10℃/min的升溫速度升至1350℃并保溫3h，保溫結束后隨爐冷卻，過篩后獲得納米團聚體。將粉體壓制成直徑12.5mm厚2mm的圓片，測其熱導率。
[0016]進一步的，所述物料配方A：氧化物La2O3、Nd2O3、ZrO2作為原材料，按摩爾比La2O3：Nd2O3：ZrO2＝0.4：0.6：2；所述物料配方B：氧化物La2O3、ZrO2、CeO2作為原材料，按摩爾比La2O3：ZrO2：CeO2＝1：1.4：0.6。
[0017]根據本專利技術的另一方面，還提供了一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料，所述熱障涂層粉體材料(La1?
x
Nd
x
)2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7粉末為(La
0.4
Nd
0.6
)2(Zr
0.7
Ce
0.3
)2O7熱障涂層材料，該熱障涂層材料通過上述任一方本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：實驗原料均為納米級氧化物，并對A2B2O7型鋯酸鹽的A位、B位進行稀土摻雜，通過固相合成、噴霧造粒及二次燒結形成致密納米結構團聚體。2.如權利要求1所述的一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：包括如下具體步驟，步驟1：制備La2Zr2O7為基材，并測試基材熱導率；步驟2：通過稀土元素單摻雜Nd
3+
部分替代La
3+
獲得熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，其中0＜x≤0.8；通過稀土元素單摻雜Ce
4+
部分替代Zr
4+
獲得熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，其中0＜y≤0.5；步驟3：根據x取值不同，所得到不同的熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7與基材熱導率對比，獲取熱導率最低時x的取值，并獲得對應熱障涂層材料的物料配方A；步驟4：根據y取值不同，所得到不同的熱障涂層材料La2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7與基材熱導率對比，獲取熱導率最低時y的取值，并獲得對應熱障涂層材料的物料配方B；步驟5：采用配方A與配方B進行La、Zr位進行共摻雜配料，經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩獲得新型熱障涂層粉體材料(La1?
x
Nd
x
)2(Zr1?
y
Ce
y
)2O7粉末。3.如權利要求1所述的一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：所述La2Zr2O7基材,采用氧化物La2O3、ZrO2作為原材料，按摩爾比La2O3：ZrO2＝1：2進行配料，用混料機充分混合經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩制得。4.如權利要求2所述的一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：所述熱障涂層材料(La1?
x
Nd
x
)2Zr2O7，采用純度為99.9％、平均粒度為20～30nm的稀土氧化物La2O3、Nd2O3、ZrO2作為原材料，根據x的取值范圍，按照摩爾比進行配料用混料機充分混合經過研磨、干燥、燒結爐冷后粉碎過篩制得。5.如權利要求2所述的一種納米結構稀土摻雜鋯酸鑭熱障涂層材料的制備方法，其特征在于：所述熱障涂層材料...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王曉燕，薛健，肖飛，岳鑫，呂延慶，趙洪儉，張福林，
申請(專利權)人：遼寧省輕工科學研究院有限公司，
類型：發明
國別省市：