專利名稱：一種新型熱障涂層材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高溫?zé)嵴贤繉蛹夹g(shù)及相關(guān)涂層材料。
背景技術(shù)：
隨著航空、航天及民用技術(shù)的發(fā)展，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的使用溫度要求愈來愈高，高溫合金及單晶已達(dá)到了材料的極限狀態(tài)。在這種情況下，從材料的角度考慮，另一種降低發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作溫度的可行技術(shù)----熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
NASA的對比研究表明，ZrO2的綜合性能較為優(yōu)越。在1000℃時(shí)，ZrO2的熱膨脹系數(shù)為11×10-6K-1，最接近基體合金的熱膨脹系數(shù)，而導(dǎo)熱系數(shù)僅為2.1-2.2WM-1k-1。但純ZrO2在通常使用溫度范圍內(nèi)，會發(fā)生四方相(t)向單斜相(m)的馬氏體相變，為了使涂層適應(yīng)高溫下的熱循環(huán)工作環(huán)境并提高涂層的壽命，通常在ZrO2中添加少量穩(wěn)定劑來控制、減少這類相變的發(fā)生。美國專利5,789,330(Kondo，et al)中報(bào)道了在ZrO2中摻雜0.1wt％-40wt％各種相穩(wěn)定劑如Y2O3，CaO，MgO，Sc2O3，稀土氧化物等后得到的熱障涂層材料。材料燒結(jié)后體系中單斜相占25-75％，涂層材料的長期使用最大表面耐熱溫度在1200℃左右，隨著溫度的進(jìn)一步提高，涂層出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。美國專利6,231,991中報(bào)道了一種具有燒綠石結(jié)構(gòu)的材料，特別是La2Zr2O7(Lanthnum Zirconate)作為熱障涂層材料，它獨(dú)特的性質(zhì)如較低的熱導(dǎo)率，在退火處理到1400℃，依然保持相穩(wěn)定狀態(tài)。但La2Zr2O7熱膨脹系數(shù)較YSZ小，同基體合金的熱膨脹系數(shù)相差更大，因高溫?zé)崤蛎洸黄ヅ渌鶎?dǎo)致的涂層內(nèi)應(yīng)力將更加嚴(yán)重，涂層循環(huán)壽命短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型熱障涂層材料。
本發(fā)明的另一目的是提供一種熱障涂層材料的應(yīng)用。
熱障涂層的基本設(shè)計(jì)思想就是利用陶瓷的高耐熱性、抗腐蝕性和低導(dǎo)熱性，實(shí)現(xiàn)對基體的保護(hù)。因此，熱障涂層陶瓷表面層材料的選擇需要遵循一定的原則1、高熔點(diǎn) 2、室溫和操作溫度間無相變 3、低熱傳導(dǎo)率 4、化學(xué)反應(yīng)惰性 5、較高的熱膨脹率 6、良好的抗熱沖擊性能 7、較低的燒結(jié)率。
在絕緣體如陶瓷中，材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)通常取決于晶格震動(dòng)。當(dāng)材料中的原子被較重或較大的原子組成，其熱傳導(dǎo)系數(shù)會相應(yīng)降低。原子質(zhì)量差別越大，熱傳導(dǎo)系數(shù)降低越大。Ce原子的原子質(zhì)量和半徑都遠(yuǎn)較Zr大，所以，當(dāng)Ce取代Zr的時(shí)候，材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)會相應(yīng)的降低。另外，CeO2為一種螢石結(jié)構(gòu)氧化物，且其熱傳導(dǎo)系數(shù)較8YSZ小，而熱膨脹系數(shù)卻較8YSZ大。因此本發(fā)明預(yù)計(jì)當(dāng)A2Zr2O7中Zr為Ce取代后，A為Nd，Sm，Eu，Gd，Tb中一種或兩種以上的組合，所得到的新材料的熱膨脹系數(shù)將增大，而熱傳導(dǎo)系數(shù)為減小。
本發(fā)明陶瓷材料具有下述化學(xué)組成A2(ZrxCe(1-x))2O7，0＜＝X＜＝0.9，A為Nd，Sm，Eu，Gd，Tb中一種或兩種以上的組合。
熱障涂層材料的應(yīng)用如下首先，獲得金屬基底，金屬基底為渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中由鎳基或鈷基高溫合金組成的部件；然后在金屬基底表面或某一部位沉積一層金屬粘結(jié)層，金屬粘結(jié)層為MCrAlY合金，其中M為Ni、Co或Fe中一種或兩種以上組合，Y為Y、La或Hf中一種；最后，在粘結(jié)層表面沉積陶瓷面層，陶瓷面層化學(xué)組成為A2(ZrxCe(1-x))2O7，0＜＝X＜＝0.9，A為Nd，Sm，Eu，Gd，Tb中一種或兩種以上組合。
本發(fā)明中熱障涂層材料具有高熱膨脹系數(shù)，其熱膨脹系數(shù)達(dá)到了10-15×10-6K-1，優(yōu)于目前普遍應(yīng)用的熱障涂層材料，在1400℃下長期退火處理后依然保持相穩(wěn)定狀態(tài)。利用這些特性，此材料可以設(shè)計(jì)成為熱障涂層材料，適用溫度區(qū)間室溫至1400℃。本發(fā)明中熱障涂層材料可以通過如下途徑沉積等離子噴度、電子束物理氣相沉積、HVOF、D-gun技術(shù)等。


圖1給出了Ce完全取代Nd2Zr2O7中Zr后得到的新材料Nd2Ce2O7的XRD譜圖，圖中顯示Nd2Ce2O7具有扭曲的螢石結(jié)構(gòu)，其中1/8的0位被空穴所占據(jù)。
圖2給出了Nd2Ce2O7在室溫至1400℃下的熱膨脹系數(shù)，圖中顯示該陶瓷材料具有高的熱膨脹系數(shù)，在高溫區(qū)900-1400℃其熱膨脹系數(shù)達(dá)到了12-15×10-6K-1，優(yōu)于目前普遍應(yīng)用的熱障涂層材料。
圖3給出Nd2Ce2O7在1400℃下長期退火處理后得到的XRD譜圖，從圖中可以看出各個(gè)樣品經(jīng)退火處理后依然保持一致的XRD譜圖，這表明長期退火處理中沒有相變發(fā)生。
本發(fā)明所得熱障涂層材料熱膨脹系數(shù)較大，同發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件基體高溫合金最為接近，從而以此材料所沉積所得涂層內(nèi)部熱引力很小，熱循環(huán)壽命長；市場易得；涂層制備方法簡單，設(shè)備易得。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制備粉末樣品Nd2Ce2O7(Nd2O3+2CeO2)，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約220μm厚NiCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Nd2Ce2O7陶瓷面層，最終所得熱障涂層系統(tǒng)如圖4所示。
實(shí)施例2制備粉末樣品Nd2(Zr0.9Ce0.1)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚CoCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例3制備粉末樣品Nd2(Zr0.5Ce0.5)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鈷基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚FeCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例4制備粉末樣品Sm2Ce2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約225μm厚NiCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Nd2Ce2O7陶瓷面層。
實(shí)施例5制備粉末樣品Sm2(Zr0.9Ce0.1)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚FeCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Sm2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例6制備粉末樣品Sm2(Zr0.5Ce0.5)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鈷基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚CoCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例7制備粉末樣品Eu2Ce2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約220μm厚NiCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約350μm的Eu2Ce2O7陶瓷面層。
實(shí)施例8制備粉末樣品Eu2(Zr0.9Ce0.1)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚FeCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Eu2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例9制備粉末樣品Eu2(Zr0.5Ce0.5)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鈷基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚CoCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Eu2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例10制備粉末樣品Gd2Ce2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約220μm厚NiCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Gd2Ce2O7陶瓷面層。
實(shí)施例11制備粉末樣品Gd2(Zr0.9Ce0.1)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚FeCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Gd2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例12制備粉末樣品Gd2(Zr0.5Ce0.5)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鈷基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚CoCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Gd2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例13制備粉末樣品Tb2Ce2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約220μm厚NiCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Tb2Ce2O7陶瓷面層。
實(shí)施例14制備粉末樣品Tb2(Zr0.9Ce0.1)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鎳基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約250μm厚FeCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約300μm的Tb2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面層。
實(shí)施例1 5制備粉末樣品Tb2(Zr0.5Ce0.5)2O7，得到粉末樣品經(jīng)噴霧干燥處理制成高流動(dòng)性粉末。鈷基高溫合金表面通過電子束物理氣相沉積技術(shù)沉積一層大約200μm厚CoCrAlY金屬粘結(jié)層，然后在粘結(jié)層表面應(yīng)用等離子噴度技術(shù)沉積一層厚約250μm的Tb2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面層。
權(quán)利要求
1.一種熱障涂層材料，化學(xué)組成為A2(ZrxCe(1-x))2O7，0＜＝X＜＝0.9，A為Nd，Sm，Eu，Gd，Tb中的一種或兩種以上的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的熱障涂層材料的應(yīng)用，采用電子束物理氣相沉積或等離子噴涂技術(shù)，其特征在于涂層使用溫度區(qū)間為室溫至1400℃。
3.如權(quán)利要求2所述的熱障涂層材料的應(yīng)用，其特征在于，金屬基底為由鎳基或鈷基高溫合金組成的部件。
4.如權(quán)利要求2所述的熱障涂層材料的應(yīng)用，其特征在于，金屬粘結(jié)層為MCrAlY合金，其中M為Ni、Co或Fe中的一種或兩種以上的組合，Y為Y、La或Hf中的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一類用作高溫?zé)嵴贤繉硬牧系奶沾刹牧霞捌鋺?yīng)用。陶瓷材料具有下述化學(xué)組成A
文檔編號C23C4/10GK1546719SQ20031011593
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月16日
發(fā)明者代輝, 李佳艷, 曹學(xué)強(qiáng), 孟健, 代 輝 申請人:中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所