專利名稱：稀土改性Sm₂Ce₂O₇熱障涂層陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉用三價(jià)稀土元素對(duì)Sm2Ce2O7進(jìn)行A位摻雜的熱障涂層用陶瓷材料，用于A位摻雜的三價(jià)稀土元素包括La，、Nd、Gd、Dy、Er和Yb，其摻雜量在O-1mol之間均可。
背景技術(shù)：
在先進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，為保護(hù)高溫下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件并提高燃油經(jīng)濟(jì)性，需要在這些關(guān)鍵金屬部件上面制備陶瓷涂層，這層陶瓷涂層就稱為熱障涂層。典型的熱障涂層主要包括三部分，從外向里依次為表面陶瓷層、金屬粘結(jié)層和金屬基體。其中表面陶瓷層主要起隔熱作用，金屬粘結(jié)層主要功能是緩解表面陶瓷層與金 屬基體因熱膨脹不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時(shí)還可以保護(hù)金屬基體不被氧化。目前，熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積技術(shù)，無(wú)論哪一種制備方法，熱障涂層要想更好的發(fā)揮其隔熱作用，必須牢固的附著在金屬基體之上。在已有的熱障涂層中，由于氧化乾部分穩(wěn)定氧化錯(cuò)(Y2O3 stabilized zirconia,簡(jiǎn)稱YSZ)陶瓷具有較低的熱導(dǎo)率(平均約為2. 3W/m.K)，較高的熱膨脹系數(shù)(9X10_6/°C )及良好的高溫相穩(wěn)定性能(<1200°C)，而成為現(xiàn)役應(yīng)用最廣的熱障涂層。然而，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高流量比、高推重比、高渦輪進(jìn)口溫度方向發(fā)展，其燃燒室關(guān)鍵熱端部件的工作溫度將超過(guò)1500°C。在這樣的高溫下，現(xiàn)役的YSZ熱障涂層，由于其表層陶瓷材料YSZ在高溫下會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，且燒結(jié)收縮嚴(yán)重等一系列問(wèn)題，不僅使涂層的隔熱性能下降，而且涂層的工作壽命也急劇降低，該類涂層已難于滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的需要。為此，必須設(shè)法克服現(xiàn)役YSZ熱障涂層的這一缺陷。就此問(wèn)題而言，目前公認(rèn)的有三種途徑(I)采用葉片冷卻技術(shù)，如巧妙設(shè)計(jì)空心葉片的幾何形狀或葉片的冷氣膜設(shè)計(jì)等；(2)采用真空熔煉和精密鑄造技術(shù)研制新型的高溫合金，如定向凝固和單晶葉片；
(3)開(kāi)發(fā)新型的熱障涂層陶瓷材料。就(I)而言，隨著葉片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的改進(jìn)，人們得到的效益增長(zhǎng)速率正在下降，目前要想通過(guò)單一的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作溫度再提高幾百攝氏度極端困難；而對(duì)于高溫合金材料而言，既要具有高強(qiáng)度以滿足設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的要求，又要在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)中具備較高的化學(xué)穩(wěn)定性(即耐高溫氧化、抗腐蝕性能)，這兩方面的要求很難同時(shí)達(dá)到。最好的途徑是在采用先進(jìn)冷卻技術(shù)和開(kāi)發(fā)高溫合金的前提下，開(kāi)發(fā)新型的熱障涂層陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。新型的熱障涂層用陶瓷材料需滿足以下幾點(diǎn)主要要求(I)較低的熱導(dǎo)率(<2.0W/m.K) ; (2)較高的熱膨脹系數(shù)(>9X10_6/°C) ; (3)良好的高溫想穩(wěn)定性能(>1200°C)。目前，已經(jīng)報(bào)道的新型熱障涂層陶瓷材料，主要有三類，一類稀土摻雜的ZrO2基陶瓷材料，第二類是化學(xué)式為L(zhǎng)n2Zr2O7 (Ln代表三價(jià)稀土元素)的稀土鋯酸鹽；第三類是近3-5年中報(bào)道的其它新型陶瓷，主要有Nd2Ce2O7, La2Ce2O7,稀土改性的 BahLnxNd2 (TVyLny)3Oici 類陶瓷，鋇鑭鈦 Β&1_ 2 (Ti^Lny) 301(|，鋇釹鈦Ba^LnxNd2 (TihLny)3Oltl，鉻酸鑭以及 InFeZnO4 等，但國(guó)內(nèi)有關(guān)三價(jià)稀土兀素慘雜的Sm2Ce2O7陶瓷材料的研究尚屬空白。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決都技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有較高的熱膨脹系數(shù)和較低的熱導(dǎo)率。稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(SnvxLnx)2Ce2O7，其中Ln為L(zhǎng)a、Gd、Nd、Er、Dy或Yb，0〈χ〈1。所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，它的步驟如下 (1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質(zhì)量比為1. 5-2. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混6-10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)20(Γ240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在160(Tl650°C的常壓燒結(jié)8 12小時(shí)，得到(SivxLnx)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明研制的(SmhLnx)2Ce2O7系列的熱障涂層用陶瓷材料，與7-8%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯相比，本發(fā)明的材料在高溫時(shí)具有更低熱導(dǎo)率和更高的熱膨脹系數(shù)。在高溫下(800-1000°C)，這兩類材料的熱導(dǎo)率約為1. 2-1. 6W/m. K，其熱膨脹系(IOOO0C )數(shù)約為11. 4-13. 9 X 10_6/K，完全有潛力用作新型熱障涂層表面層陶瓷材料。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)品在高溫下沒(méi)有相變，熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)高。


圖1為(SivxGdx)2Ce2O7陶瓷材料的熱導(dǎo)率；
圖2為(SmhGdx)2Ce2O7固溶體的熱膨脹系數(shù)；
圖3為(SrvxLax)2Ce2O7固溶體的熱導(dǎo)率；
圖4為(SrvxLax)2Ce2O7固溶體的熱膨脹系數(shù)；
圖5為(SmhNdx)2Ce2O7固溶體的熱導(dǎo)率。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，化學(xué)式為(Sma9Gda ^2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 9 摩爾 Sm203、0.1 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Gd2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的60%，瑪瑙球與Gd2O3的質(zhì)量比為2. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混6小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥16小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)200目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在1600°C的常壓燒結(jié)8 12小時(shí)，得到(Sma9Gdai)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。
實(shí)施例2
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(Sma8Laa2)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 8 摩爾 Sm203、0. 2 摩爾 La203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將La2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的60%，瑪瑙球與La2O3的質(zhì)量比為1. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于150°C干燥24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在1650°C的常壓燒結(jié)12小時(shí)，得到(Sma8Laa2)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實(shí)施例3
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(Sma7Nda3)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 7 摩爾 Sm203、0. 3 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Nd2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的70%，瑪瑙球與Nd2O3的質(zhì)量比為2，在行星式球磨機(jī)上，濕混8小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于140°C干燥16-24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)200^240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在1620°C的常壓燒結(jié)10小時(shí)，得到(Sma7Nda3)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實(shí)施例4
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(Sma5Era5)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 5 摩爾 Sm203、0. 5 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Er2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的80%，瑪瑙球與Er2O3的質(zhì)量比為2. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在1650°C的常壓燒結(jié)12小時(shí)，得到(Sma5Era5)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實(shí)施例5
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(Sma3Dya7)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 7 摩爾 Sm203、0. 3 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Dy2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的80%，瑪瑙球與Dy2O3的質(zhì)量比為2，在行星式球磨機(jī)上，濕混6-10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥22小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)220目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在1600°C的常壓燒結(jié)8小時(shí)，得到(Sma3Dya7)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實(shí)施例6
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(SivxLnx)2Ce2O7,其中 Ln 為 La、Gd、Nd、Er、Dy 或 Yb，0〈χ〈1。所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，它的步驟如下
(1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質(zhì)量比為1.5-2. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混6-10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn) 蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)20(Γ240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中，在160(Tl650°C的常壓燒結(jié)8 12小時(shí)，得到(SivxLnx)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。
權(quán)利要求
1.稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,其特征在于所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(SivxLnx)2Ce2O7，其中 Ln 為 La、Gd、Nd、Er、Dy 或 Yb，0〈χ〈1。
2.如權(quán)利要求1所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，其特征在于， 它的步驟如下(1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質(zhì)，同時(shí)加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質(zhì)量比為1.5-2. 5，在行星式球磨機(jī)上，濕混6-10小時(shí)，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器除去乙醇或去離子水，將蒸發(fā)后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時(shí)，將干燥后的粉末人工過(guò)20(Γ240目篩，將過(guò)篩后的粉末在模具中壓制成預(yù)制坯體，放入剛玉坩堝中， 在160(Tl650°C的常壓燒結(jié)8 12小時(shí)，得到稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學(xué)式為(Sm1-xLnx)2Ce2O7，其中Ln為L(zhǎng)a、Gd、Nd、Er、Dy或Yb，0<x<1。本發(fā)明的(Sm1-xLnx)2Ce2O7系列的熱障涂層用陶瓷材料，與7-8%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯相比，本發(fā)明的材料在高溫時(shí)具有更低熱導(dǎo)率和更高的熱膨脹系數(shù)。在高溫下(800-1000℃)，這兩類材料的熱導(dǎo)率約為1.2-1.6W/m.K,其熱膨脹系(1000℃)數(shù)約為11.4-13.9×10-6/K，完全有潛力用作新型熱障涂層表面層陶瓷材料。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，產(chǎn)品在高溫下沒(méi)有相變，熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)高。
文檔編號(hào)C04B35/622GK102992764SQ20121033462
公開(kāi)日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者張紅松, 陳曉鴿, 楊樹(shù)森, 張政, 李斌, 李剛, 李振軍, 耿向前 申請(qǐng)人:河南工程學(xué)院