一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鋯熱障涂層材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鉛熱障涂層材料及其制備方法， 屬于熱障涂層領域。
【背景技術】
[000引 熱障涂層帥ermalBarrierCoatings,簡稱TBCs)通常是指 沉積在耐高溫金屬表面、具有良好隔熱效果的陶瓷涂層的P.化化ureet al.，Science, 296, 280 - 284 (2002)]。使用熱障涂層能使基體材料免受高溫氧化和腐蝕，并 能降低基體表面的工作溫度、提高油料的燃燒效率，而且也可W極大地延長燃氣潤輪發動 機的壽命，在航空航天、船舶、能源等領域有著廣泛的應用。為了滿足新型航空燃氣潤輪發 動機的發展需求，要求下一代熱障涂層的表面溫度達到1500°CW上[J.H.Per巧ezko，Scie nce, 326, 1068 - 1069 (2009) ;C.G.Levietal.，MRSBull. ,37 [10] 932 - 941 (2012)]。
[0003]目前經典的熱障涂層材料為~7wt% (或~4mol% )氧化紀燈2〇3)部分穩定的氧 化鉛狂r〇2)的材料（簡稱7YSZ)[N.P.化化ure et al.，Science, 296, 280 - 284 (2002)]。與 全穩定的立方氧化鉛相比，7YSZ具有較高的斷裂初性，其涂層的熱循環壽命更長[C. Mercer et al.，Proc. R. Soc.A，463，1393 - 1408(2007)]。然而，7YSZ在1200°CW上易發生由亞 穩四方相（簡稱t')到四方相（簡稱t)和立方相（簡稱C)的轉變，當溫度降低至~ IOOCTC附近時，t相發生到單斜相（簡稱m)的轉變存在3~5Vol%的體積膨脹圧.H. Kisi et al.，Key化g. Mater.，153 - 154, 1 - 36 (1998)]，送種體積效應產生的應力容易導致 涂層開裂、剝落IiD. R. Clarke et al.,Annu. Rev. Mater. Res.,33, 383 - 417 (2003)]。因 此，7YSZ涂層只能在120(TC W下使用，其他稀±氧化物RE〇i.5(RE =化U (kU孔）滲雜或 REOls-孔〇i.5(RE = Y、NcUGd)共滲雜的t'-Zr〇2也與7YSZ相類似 〇(.Jiang et al.，J. Am. Ceram. Soc.,97, 990 - 995 (2014)]。
[0004] 據文獻報道，Ce〇2滲雜的t'-Zr〇2在140(TC-160(TC區間相穩定，且具有超 彈性的特點[A.Laietal. ,Science, 341,1505 - 1508(2013)]。另一方面，8mol% 氧化 亂（GdOi.s)穩定的t'-Zr〇2的熱導率比 7YSZ的低~20%[M.N.Rahamanetal.，Acta Mater.，54, 1615 - 1621 (2006)]，送意味著通過添加Ce〇2能提高GdOi.s穩定的t'-Zr〇2的 高溫相穩定性，如能實現送種目的，不難預料，送種涂層在使用溫度及熱循環壽命兩方面都 將明顯優于傳統7YSZ涂層。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是提供一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鉛熱障涂層材料及其 制備方法。該材料在150(TC般燒80小時后無單斜相，四方氧化鉛相含量為48mol%，該材 料是利用So^噴霧熱解法而制得。
[0006] 根據本發明的一個方面，提供了 一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鉛熱障涂層 材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟：
[0007] (1)按摩爾比
[0008]Ce(N〇3)3*6H2〇 :Gd(N〇3)3*6H2〇 :Zr(N〇3)4*3H2〇=0. 16 : 0. 08 : 0. 76 配料， 配制成透明水溶液；
[0009] (2)外加適量添加劑巧樣酸和聚己二醇，磁力攬拌至澄清透明的溶膠；
[0010] (3)W-定壓力的純凈空氣為霧化介質，將溶膠霧化到剛玉巧巧；
[0011] (4)霧化完畢后再將溫度升至一定溫度進行熱處理得到所需原料；
[0012] (5)將原料放置于剛玉巧巧中高溫般燒。
[0013] 根據本發明的一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鉛熱障涂層材料制備方法包 括：
[0014] 1)、按下摩爾比配料
[0015] Ce(N〇3)3 ? 6&0 :Gd(N〇3)3 ? 6&0 :Zr(N〇3)4 ? 3&0 = 0. 16 : 0. 08 : 0. 76。
[001引 2)、溶膠制備
[0017] 2. 1)W去離子水為溶劑，配制金屬離子總濃度為0. 1摩爾/升的水溶液；
[0018] 2. 2)外加添加劑巧樣酸，其添加量為80克/升，外加添加劑聚己二醇，其分子量為 20000,添加量為50克/升；
[0019] 2. 3)磁力攬拌至澄清透明。
[0020] 3)、原料制備
[0021] 3. 1)采用純度為99. 99%的空氣為霧化介質，其壓力為0. 3MPa;
[0022] 3. 2)剛玉巧巧溫度為500°C;
[002引 3. 3)熱處理溫度為120(TC。
[0024] 根據本發明的一個方面，提供了 一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鉛熱障涂層 材料的制備方法，其特征在于包括下列步驟：
[00幼 （1)按摩爾比
[0026]Ce(N〇3)3*6H2〇 :Gd(N〇3)3*6H2〇 :Zr(N〇3)4*3H2〇=0. 16 : 0. 08 : 0. 76 配料， 配制成透明水溶液；
[0027] 似外加適量添加劑巧樣酸和聚己二醇，磁力攬拌至澄清透明的溶膠；
[0028] (3)W-定壓力的純凈空氣為霧化介質，將溶膠霧化到剛玉巧巧；
[0029] (4)霧化完畢后再將溫度升至一定溫度進行熱處理得到所需原料；
[0030] (5)將原料放置于剛玉巧巧中高溫般燒。
[0031] 根據本發明的另一個方面，提供了用上述制備方法制備的四方氧化鉛熱障涂層材 料。
[0032] 該四方氧化鉛熱障涂層材料及其制備方法具有W下效果：
[003引 （1) 150(TC般燒80小時后，四方氧化鉛相含量為48mol%，無單斜相
[0034] 似巧[J備溫度低、相純度高；
[00對 做成本低、效率高；
[0036] (4)工藝穩定，適合批量生產。
【附圖說明】
[0037]圖1曰和圖化是本發明材料狂而76〔6。.166(1。.。8)〇1.96及其經15〇〇1：般燒6-80小時 后的粉晶衍射圖。
[00測圖2是本發明材料狂'。.76〔6。.166(1。.。8)01.96經1500巧段燒6-80小時后相含量圖。【具體實施方式】
[0039] 下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0040] 連施例
[0041] ^純度為 99.99%的〇6化〇3)3*6&0、6(1化〇3)3*6&0、2^側3)4*3&0為原料，按摩 爾比Ce(N〇3)3.6H2〇 :Gd(N〇3)3.6H2〇 :Zr(N〇3)4*3H2〇 = 0. 16 : 0. 08 : 0. 76 稱量，配 制金屬離子總能濃度為0.Imol/L的水溶液，加入添加劑巧樣酸、聚己二醇，其添加量分別 為50克/升，磁力攬拌0. 5小時得到澄清透明的溶膠。
[0042] 采用純度為99. 99 %、壓力為0. 3MPa的空氣為霧化介質，將溶膠霧化到溫度為 50(TC的剛玉巧巧內快速去除水分，得到前驅體。
[0043] 霧化完畢后再將溫度升至120(TC般燒6小時得所需原料。
[0044] 取適量原料置于剛玉巧巧中，在150(TC般燒6-80小時。
[0045] 采用荷蘭帕納科公司生產的型號為X'PertPRO、配有X'Celerator超能探測器的 多功能X射線衍射儀進行物相測試，X射線是化祀k"i，波長X=1, 5,1(WA。原料及15〇(TC 般燒6-80小時后的2 0 = 20。-80°的粉晶衍射結果請參見圖la，2 0 =71.5。-76°的 粉晶衍射結果請參見圖化。
[0046] 由圖Ia和圖化中120(TC-6h(小時）圖譜可知，原料為純四方氧化鉛；
[0047] 由圖Ia和圖化中150(TC-6h、150(TC-20h、150(TC-40h和150(TC-SOh圖譜分 別可知，150(TC般燒6-8化后無單斜氧化鉛相，是由四方（t')和立方（C)兩相組成；
[0048] 相含量計算義用常用的Miller公式[R.A.Milleretal. ,inAdvancesin Ceramics,AmericanCeramicSociety,Columbus,OH, 1981,pp. 241 - 253]:
[0050] 式中，M。、Mt,分別為C和t'相的摩爾分數，1。(400)和^(004)、It,(400)分別 為C和t'相的（400)和（004)、（400)晶面的X射線衍射強度。
[0051] 利用上述公式及由圖化中1500°C-6h、1500°C-20h、1500°C-40h和1500°C-SOh 圖譜，計算四方（t')和立方（C)相摩爾分數如圖2所示。
[0052]與本發明材料相比，t'-狂ro.gzLn。.J〇i.96(Ln=Y，NcUGcU孔和Nd-YKGd-孔、 Y-Yb)等系列材料即便是在相對溫度較低及時間相對較短的情況下均會有單斜氧化鉛相出 現，如145(TC般燒10小時后，送些材料的單斜氧化鉛相含量在20mol%W上化Jianget al.，J.Am.Ceram.Soc.，97, 990 - 995 (2014)];由此，本發明的優點顯而易見。
【主權項】
1. 一種高溫穩定且無單斜相的四方氧化鋯熱障涂層材料的制備方法，其特征在于包括 下列步驟： (1) 按摩爾比 Ce(N03)3.6H20 : Gd(N03)3.6H20 : Zr(N03)4.3H20 = 0.16 : 0.08 : 0.76 配料，配 制成透明水溶液； (2) 外加適量添加劑檸檬酸和聚乙二醇，磁力攪拌至澄清透明的溶膠； (3) 以一定壓力的純凈空氣為霧化介質，將溶膠霧化到剛玉坩堝； (4) 霧化完畢后再將溫度升至一定溫度進行熱處理得到所需原料； (5) 將原料放置于剛玉坩堝中高溫煅燒。2. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于： 所述 Ce (NO3) 3 ? 6H20、Gd (NO3) 3 ? 6H20 和 Zr (NO3) 4 ? 3H20 的純度為 99. 99 %。3. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于： 所述透明水溶液的金屬離子總濃度為0. 1摩爾/升。4. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于步驟（2)中： 朽1檬酸添加量為80克/升， 聚乙二醇分子量為20000,添加量為50克/升。5. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于： 步驟（3)中所述的純凈空氣的純度為99. 99%，壓力為0. 3MPa，剛玉坩堝溫度為500°C。6. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟（4)中1200°C煅燒6h后為四方氧化鋯。7. 根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于： 所述步驟（5)中，1500°C煅燒80小時后無單斜氧化鋯相，四方相含量為48mol%。8. 用權利要求1一7中的任何一項的制備方法制備的四方氧化鋯熱障涂層材料。
【專利摘要】本發明公開了一種具有高溫穩定且無單斜相的四方氧化鋯熱障材料(Zr0.76Ce0.16Gd0.08)O1.96及其制備方法。本發明以純度為99.99％的Ce(NO3)3·6H2O、Gd(NO3)3·6H2O和Zr(NO3)4·3H2O為原料，按摩爾比Zr4+∶Ce3+∶Gd3+＝0.76∶0.16∶0.08配料，以去離子水為溶劑配制一定濃度的水溶液，添加適量的檸檬酸和聚乙二醇，經磁力攪拌至澄清透明；以壓力為0.3MPa的純凈空氣為霧化介質將其霧化到溫度為500℃的剛玉坩堝內，霧化完畢后再將溫度升至1200℃煅燒6小時，即得純四方氧化鋯原料。本發明的材料高溫相穩定性好，在1500℃煅燒80h后無單斜相，四方相含量為48mol％，該制備方法具有相純度高、溫度低及工藝簡單等優點。
【IPC分類】C04B35/622, C04B35/48
【公開號】CN105236961
【申請號】CN201410227789
【發明人】江闊, 劉松柏, 趙立林
【申請人】西南科技大學
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2014年5月27日