專利名稱：一種高溫熱障涂層材料及制備方法
技術領域：
本發明屬于材料技術，具體地說是一種高溫熱障涂層材料及制備方法。
背景技術：
現有的高溫合金材料無法滿足現代渦輪發動機對高進口溫度的要求，燃燒室內 壁、渦輪葉片等金屬部件上需制備熱障涂層TBCs，以承受更高的溫度，獲得合格壽命，并提 高發動機效率。熱障涂層由多層材料組成，具有隔熱、抗高溫氧化和耐腐蝕等作用，其典型結構為 雙層，由表層的陶瓷熱障層和中間的金屬粘結層構成。在熱障涂層中實際起隔熱作用的是 陶瓷熱障層，它能有效減少向金屬基體的熱傳導，保護關鍵零部件等，因此熱障涂層陶瓷材 料是非常關鍵。合適的熱障涂層陶瓷材料應滿足高熔點、低熱導率、熱膨脹系數與金屬基體 匹配、低燒結速率、良好的高溫化學穩定性、與金屬層結合力高、在室溫與工作溫度之間無 相變等要求。現有經氧化物穩定的&02是目前實際應用最為廣泛的熱障涂層陶瓷材料，然而， 該種熱障涂層陶瓷材料在高于1200°C溫度下較長時間服役過程中，晶粒較易長大，涂層內 微氣孔收縮燒結，會使導熱系數增大；更嚴重的是，該種材料在高溫服役時易發生嚴重相 變，引起的體積變化使涂層內部應力急劇加大，促使涂層的開裂和剝落，造成涂層失效。所 以發明一種具有良好高溫相穩定性、低熱導率的熱障涂層納米陶瓷粉體材料及制備方法對 于開發新一代高性能發動機是十分重要的。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有良好高溫相穩定性、低熱導率的熱障涂層陶瓷材 料；本發明的另一目的是提供該熱障涂層陶瓷材料的制備方法。本發明的技術方案是一種多元稀土高溫熱障涂層材料，通式為LnyLn' zLn" ^rzMexAl 12_χ019+δ ；其中Ln、Ln'、Ln〃為稀土元素La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb ；Me 為金屬元素 Mn、Mg、Ni、Co、Sr、Ca、Ba ；χ 為 0 12;y 為 0 l;z 為 0 1 ；y+z ( 1。多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，步驟如下(1)制備金屬鹽混合溶液取權利要求1所述的稀土元素、金屬元素可溶性鹽用去離子水溶解，攪拌混合均 勻；制備質量濃度為10 100g/L可溶性金屬鹽混合溶液；(2)制備絡合劑溶液以醋酸、檸檬酸、乙二醇、乙二胺四乙酸、甘氨酸為絡合劑，去離子水溶解；稀氨水調節絡合劑溶液PH為2 7;(3)制備混合金屬離子溶膠將步驟(1)制備的混合金屬鹽溶液進行水浴加熱、攪拌，水浴溫度60 95°C ；將 步驟(2)制得的絡合劑溶液滴加到混合金屬鹽溶液中，滴加速度為3 30ml/min ；繼續攪 拌混合溶液2 10小時，混合金屬離子溶膠制成；(4)將步驟(3)制得的混合金屬離子溶膠70 180°C條件下烘干，研磨成細粉，置 入加熱爐中900°C 1400°C煅燒1 5小時，制得多元稀土高溫熱障涂層材料。步驟(1)中稀土元素為La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er和Yb中的兩種或兩種以上。步驟(1)中的可溶性鹽為硝酸鹽或氯鹽；步驟(2)中所述的絡合劑為醋酸、檸檬酸、乙二醇、乙二胺四乙酸、甘氨酸中的一 種，或者兩種以任何比例混合；步驟(2)中所述的稀氨水體積比濃度為1 % 10 %。本發明的要點是按LnyLn' zLn〃 ^zMexAl12IO19+s化學計量比進行配料，利用絡合劑與混合金屬鹽 溶液作用，制得混合金屬離子的溶膠，烘干成干凝膠后煅燒，獲得高溫熱障涂層陶瓷材料。本發明的具體實現步驟為步驟一、用去離子水溶解各金屬元素的可溶性鹽，獲得含有各金屬離子的混合溶 液，所述混合溶液中可溶性金屬鹽的質量濃度為10 100g/L，攪拌混合金屬鹽溶液，使各 種金屬離子達到分子級別的均勻混合；步驟二、用去離子水溶解醋酸、檸檬酸、乙二醇、乙二胺四乙酸、甘氨酸等絡合劑， 用稀氨水調節絡合劑溶液的pH為2 7 ；步驟三、在水浴加熱和攪拌條件下將調好pH的絡合劑溶液滴加到混合金屬鹽溶 液中，滴加速度為3 30ml/min，水浴加熱溫度為60 95°C，繼續攪拌混合溶液2 10小 時，得到粘稠凝膠；步驟四、將得到的粘稠凝膠在70 180°C烘干，研磨成細粉，然后在加熱爐中 900°C 1400°C煅燒1 5小時，得到多元稀土摻雜納米六鋁酸鹽高溫熱障涂層陶瓷材料。本發明提供的高溫熱障涂層陶瓷材料顆粒直徑為5 60nm ；熔點在2000°C以上； 在室溫至200(TC或更高溫之間不發生相變；抗熱震性能好；高溫下化學穩定性優越；此外， 多元稀土摻雜引入大量的晶格缺陷，增加聲子或光子的散射，有效降低了材料的熱導率。本發明多元稀土高溫熱障涂層材料的應用該陶瓷粉體材料經濕法球磨得漿料， 將漿料干燥、造粒，成型得陶瓷塊體，塊體燒結后可作為電子束物理氣相沉積法制備熱障涂 層的靶材。本高溫熱障涂層陶瓷材料可直接作為等離子噴涂、火焰噴涂等技術制備熱障涂層 的原料。本發明的優點是1、高溫相穩定性優越，室溫至2000°C或更高溫之間不發生相變；2、材料熱導率低。
圖1是本發明提供的多元稀土摻雜納米六鋁酸鹽高溫熱障涂層陶瓷材料之一的 Gda6Dya4MgAl11O19^粉體材料分別在1400°C和2000°C煅燒5小時后的X射線衍射分析XRD 圖譜；圖2是納米Gda6Dya4MgAl11O19^陶瓷粉體的掃描電鏡SEM照片。
具體實施例方式下面通過具體實施例對本發明予以進一步說明。實施例1采用氯化鋁、氯化鎂、氯化釓、氯化鏑為原料，制備納米Gda6Dyft4MgAl11O19ts粉體材料。(1)將氯化鋁(AlCl3 · 6H20，99wt % )、氯化鎂(MgCl2 · 6H20，99wt % )、氯化釓 (GdCl3 · 6Η20，99· 9wt% )和氯化鏑(DyCl3 · 6H20,99. 9wt % )以實際金屬離子摩爾比為 11 1 0.6 0.4進行配比混合，加入一定量的去離子水，攪拌，使其充分溶解。(2)稱取與總金屬離子摩爾數相等的醋酸，用去離子水將其溶解，用體積分數為 5 %的稀氨水調節其pH值為3。(3)用機械攪拌機在水浴加熱條件下攪拌混合金屬鹽溶液，水浴加熱溫度為 90°C，同時將調好pH的醋酸溶液滴加至混合金屬鹽溶液中，滴加速度為25ml/min，繼續攪 拌混合溶液8小時，得到粘稠凝膠。(4)將得到的粘稠凝膠在100°C烘干，研磨成細粉。(5)將凝膠粉盛裝在氧化鋯坩堝中，一起置于加熱爐中，在空氣氣氛下1000°C 1400°C煅燒5小時，然后隨爐冷卻。(6)冷卻后取出樣品，得到一種納米六鋁酸鹽高溫熱障涂層陶瓷材料，化學分子式 為 Gd0 6Dy0 4MgAl11O19W ο將本實施方式制得的納米Gda6Dya4MgAl11O19ts陶瓷粉體材料分別在1400°C和 2000°C下煅燒5小時，兩者結構一致，在不同溫度煅燒后未發生相變，即該材料適合作為高 溫熱障涂層材料。實施例2采用硝酸鋁、硝酸錳、硝酸鑭、硝酸釓、硝酸鐿為原料，制備納米 La0.3Gd0.5b0.2MnAln019+5 粉體材料。(1)將硝酸鋁(Al (NO3) 39H20，99wt % )、硝酸錳(Mn (NO3)2, 50wt % 水溶液)、硝酸 鑭(La(N03)3nH20，La2O3 含量不少于 44wt % )、硝酸釓(Gd(NO3) 36H20,99wt% )和硝酸鐿 (Yb(N03) 35H20,99. 9wt% )以實際金屬離子摩爾比為11 1 0. 3 0.5 0.2進行配比 混合，加入一定量的去離子水，攪拌，使其充分溶解。(2)稱取與總金屬離子摩爾數相等的檸檬酸，用去離子水將其溶解，用體積分數為 5 %的稀氨水調節其PH值為5。(3)用機械攪拌機在水浴加熱條件下攪拌混合金屬鹽溶液，水浴加熱溫度為 80°C，同時將調好pH的檸檬酸溶液滴加至混合金屬鹽溶液中，滴加速度為25ml/min，繼續 攪拌混合溶液9小時，得到粘稠凝膠。(4)將得到的粘稠凝膠在120°C烘干，研磨成細粉。化鋯坩堝中，一起置于加熱爐中，在空氣氣氛下1000°C燒5 小時，然后隨爐冷卻。(6)冷卻后取出樣品，得到一種納米六鋁酸鹽高溫熱障涂層陶瓷材料，化學分子式 為 La0 3Gd0 5Yb0 2ΜηΑ1η019+δ。上述實施例僅為本發明的優選例，并不用來限制本發明，凡在本發明的原則之內， 所做的任何修改和變化，均在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種多元稀土高溫熱障涂層材料，通式為LnyLn′zLn″1 y zMexAl12 xO19+δ；其中Ln、Ln′、Ln″為稀土元素La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb；Me為金屬元素Mn、Mg、Ni、Co、Sr、Ca、Ba；x為0～12；y為0～1；z為0～1；y+z≤1。
2.—種多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，步驟如下(1)制備混合金屬鹽溶液取權利要求1所述的稀土元素、金屬元素可溶性鹽用去離子水溶解，攪拌混合均勻；制 備質量濃度為10 100g/L可溶性混合金屬鹽溶液；(2)制備絡合劑溶液以醋酸、檸檬酸、乙二醇、乙二胺四乙酸、甘氨酸為絡合劑，去離子水溶解；稀氨水調節 絡合劑溶液pH為2 7 ；(3)制備混合金屬離子溶膠將步驟(1)制備的混合金屬鹽溶液進行水浴加熱、攪拌，水浴溫度60 95°C ；將步驟 (2)制得的絡合劑溶液滴加到混合金屬鹽溶液中，滴加速度為3 30ml/min ；繼續攪拌混合 溶液2 10小時，制得混合金屬離子溶膠；(4)將步驟(3)制得的混合金屬離子溶膠70 180°C條件下烘干，研磨成細粉，置入加 熱爐中900°C 1400°C煅燒1 5小時，制得多元稀土高溫熱障涂層材料。
3.根據權利要求2所述的多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，其特征在于步驟 (1)中稀土元素為La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er和Yb中的兩種或兩種以上。
4.根據權利要求2所述的多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，其特征在于步驟(1)中的可溶性鹽為硝酸鹽或氯鹽；
5.根據權利要求2所述的多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的絡合劑為醋酸、檸檬酸、乙二醇、乙二胺四乙酸、甘氨酸中的一種，或者兩種以 任何比例混合；
6.根據權利要求2所述的多元稀土高溫熱障涂層材料的制備方法，其特征在于步驟 ⑵中所述的稀氨水體積比濃度為 10%。
全文摘要
本發明屬于材料技術，高溫熱障涂層材料及制備方法。現有的熱障涂層材料，高溫下服役，易發生相變，造成涂層失效。本發明多元稀土高溫熱障涂層材料，通式為LnyLn′zLn″1-y-zMexAl12-xO19+δ；其中Ln、Ln′、Ln″為稀土元素La、Ce、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb；Me為金屬元素Mn、Mg、Ni、Co、Sr、Ca、Ba；x為0～12；y為0～1；z為0～1；y+z≤1。制備方法為制備混合金屬鹽溶液；制備絡合劑溶液；制備混合金屬離子溶膠；70～180℃烘干、研磨、煅燒制得。本發明優點是耐高溫，熔點2000℃以上；高溫相穩定性優越，室溫至2000℃或更高溫之間不發生相變；材料熱導率低。
文檔編號C04B35/10GK101898889SQ20101018945
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者李志明, 李曼萍, 王偉, 鄺宣科, 錢士強, 黃晨 申請人:上海工程技術大學