本發(fā)明屬于熱障涂層材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系及其制備方法。
背景技術(shù)：
熱障涂層又稱隔熱涂層，是指由隔熱性好的陶瓷層和金屬粘結(jié)層組成的金屬陶瓷復(fù)合涂層系統(tǒng)。熱障涂層可以對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等部件進(jìn)行隔熱保護(hù)，還可以將基體與外界環(huán)境的高溫膠黏性隔離，防止部件受高溫氧化、腐蝕和沖蝕，提高部件的工作功率，減少燃油消耗。
目前，被廣泛使用的熱障涂層材料是7-8％y2o3部分穩(wěn)定的氧化鋯，該ysz具有較低的熱導(dǎo)率、與基體相匹配的熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)良的力學(xué)性能，但是在1200℃以上的環(huán)境中會(huì)發(fā)生相變和燒結(jié)，容易導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋和剝落現(xiàn)象，而且該材料的熱導(dǎo)率相對(duì)較高不利于金屬部件熱防護(hù)，因此，傳統(tǒng)的ysz熱障涂層難以滿足越來(lái)越先進(jìn)的高推比航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)熱障涂層的要求，發(fā)展新一代高溫?zé)嵴贤繉语@得十分必要。
中國(guó)專利cn100386391c公開的稀土鋯酸鹽高溫?zé)嵴贤繉硬牧霞捌渲苽浞椒?，該材料為稀土元素nd，sm，dy，er，yb中的一種和zr形成的稀土鋯酸鹽，將純度為99wt％以上的nd2o3，sm2o3，dy2o3，er2o3，yb2o3與氧化鋯粉體混合，經(jīng)濕法球磨烘干，煅燒得到。中國(guó)專利cn102070335b公開的一種燒綠石結(jié)構(gòu)稀土鋯酸鹽材料及其制備方法與應(yīng)用，該材料是由la2o3、nd2o3，sm2o3，gd2o3，dy2o3，yb2o3與氧化鋯粉體混合，經(jīng)濕法球磨烘干，煅燒得到。由上述現(xiàn)有技術(shù)可知，經(jīng)稀土金屬摻雜的氧化鋯材料具有低熱導(dǎo)率、高熱穩(wěn)定性和看高溫?zé)Y(jié)性能，有利于降低熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高涂層的熱循環(huán)壽命，但是并沒有從根本上解決氧化鋯熱障涂層材料的裂紋和剝落問(wèn)題。
稀土鈮酸鹽是一種結(jié)合和功能性能一體化材料，在介電、光學(xué)和結(jié)構(gòu)等方面應(yīng)用廣泛，但是目前還沒有在高溫?zé)嵴贤繉討?yīng)用方面的研究。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系，ln3nbo7、ln3(nb1-xtax)o7和ln3nbo3的粉末金噴霧造粒，干燥處理制成高流動(dòng)性粉末，在鈷基或者鎳基的金屬表面通過(guò)電子書物理氣相沉積技術(shù)沉積金屬粘結(jié)層，在利用aps法沉積陶瓷層，形成發(fā)光熱障涂層體系。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：
一種基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系，所述熱障涂層體系包括陶瓷面層、金屬粘結(jié)層、氧化物層，所述陶瓷面層為稀土鈮酸鹽復(fù)合材料，所述稀土鈮酸鹽復(fù)合材料包括ln3nbo7、ln3(nb1-xtax)o7和ln3nbo3，其中l(wèi)n包括la，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y以及sc稀土元素中的一種或者幾種，其中0≤x＜1，所述金屬粘結(jié)層為mcraly合金，其中m為ni，co或者fe中的一種或者兩種以上的組合，y為y，la或者h(yuǎn)f，所述氧化物層為氧化鋁。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述稀土鈮酸鹽復(fù)合材料為缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽，使用溫度為室溫至1600℃。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述ln3nbo7中l(wèi)n包括la，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y或者sc稀土元素，所述ln3(nb1-xtax)o7中l(wèi)a，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y和sc稀土元素的一種以上的組合。
本發(fā)明提供一種基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系的制備方法，包括以下步驟：
(1)將ln2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體；
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體；
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽ln3nbo7和ln3(nb1-xtax)o7的混合物，再與ln3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末；
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層金屬粘結(jié)層mcraly合金，其中m為ni，co或者fe中的一種或者兩種以上的組合，y為y，la或者h(yuǎn)f，將高流動(dòng)性粉末采用離子噴涂、電子束物理氣相沉積或其他噴涂技術(shù)，在金屬粘結(jié)層的表面沉積陶瓷層，形成熱障涂層體系。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(1)中，ln包括la，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y以及sc稀土元素中的一種或者幾種。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(1)中，ln2o3和nb2o3粉末的化學(xué)計(jì)量比≥3:1。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(3)中，ln3nbo7和ln3(nb1-xtax)o7的混合物為缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽，使用溫度為室溫至1600℃。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(3)中，高流動(dòng)性粉末中l(wèi)n3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01-10％。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，熱障涂層體系中氣孔率為10-11％。
作為上述技術(shù)方案的優(yōu)選，所述步驟(4)中，熱障涂層體系在1000℃涂層熱導(dǎo)率為0.40-0.48w/m·k。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)本發(fā)明制備的基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系包括陶瓷面層、金屬粘結(jié)層、氧化物層，其中陶瓷面層為稀土鈮酸鹽復(fù)合材料ln3nbo7、ln3(nb1-xtax)o7和ln3nbo3，其中l(wèi)n包括la，pr，nd，sm，eu，gd，tb，dy，ho，er，tm，yb，lu，y以及sc稀土元素中的一種或者幾種，其中0≤x＜1，稀土鈮酸鹽復(fù)合材料為缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽，具有極低熱導(dǎo)率、良好的高溫相穩(wěn)定性和優(yōu)異的阻氧能力，在1600℃下使用沒有相變，使用溫度為室溫至1600℃，缺陷螢石結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，單位體積內(nèi)的原子數(shù)多，具有高濃度的本征氧空位，且晶體內(nèi)原子站位具有無(wú)序性，混亂度高，有利于降低了晶格熱導(dǎo)率，可作為一種潛在的高溫?zé)嵴贤繉雍蜻x材料，且陶瓷面層中還含有少量的ln3nbo3，具有優(yōu)異的電光、非線性光學(xué)、光折射和聲學(xué)性質(zhì)，因此陶瓷面層還具有一定的發(fā)光性能，綜合力學(xué)性能良好。
(2)本發(fā)明制備的基于缺陷螢石結(jié)構(gòu)的稀土鈮酸鹽的發(fā)光熱障涂層體系包括陶瓷面層、金屬粘結(jié)層、氧化物層，金屬粘結(jié)層為mcraly合金，其中m為ni，co或者fe中的一種或者兩種以上的組合，y為y，la或者h(yuǎn)f，氧化物層為氧化鋁，使陶瓷面層與鈷基或者鎳基金屬表面結(jié)合緊密，系統(tǒng)完整，不會(huì)出現(xiàn)剝離和裂紋，且具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和耐腐蝕能力。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合具體實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說(shuō)明用來(lái)解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1：
(1)將y2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽y3nbo7粉體，再與yb3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中yb3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層300μm的金屬粘結(jié)層cocraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積300μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例2：
(1)將yb2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽yb3nbo7粉體，再與lu3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中l(wèi)u3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層300μm的金屬粘結(jié)層nicraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積300μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例3：
(1)將gd2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽gd3nbo7粉體，再與gd3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中g(shù)d3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層300μm的金屬粘結(jié)層fecraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積300μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例4：
(1)將la2o3、y2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽(la0.7y0.3)3nbo7粉體，再與la3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中l(wèi)a3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層150μm的金屬粘結(jié)層fecraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積200μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例5：
(1)將la2o3、y2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽(la0.5y0.5)3nbo7粉體，再與la3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中l(wèi)a3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層150μm的金屬粘結(jié)層cocraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積200μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例6：
(1)將y2o3、ta2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽y3(ta0.3nb0.7)o7粉體，再與sm3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中sm3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層150μm的金屬粘結(jié)層cocraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積200μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
實(shí)施例7：
(1)將y2o3、ta2o3和nb2o3粉末于1000℃煅燒1h，按化學(xué)計(jì)量比混合，用無(wú)水乙醇作為混合接枝，氧化鋯為球磨介質(zhì)球磨混料，其中磨球總體積站球磨罐容積的45-55％，轉(zhuǎn)速為300r/min，得到混合漿料，漿料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)后置于120℃干燥箱中干燥12h，過(guò)400目篩得到預(yù)燒結(jié)粉體。
(2)將預(yù)燒結(jié)粉體采用20mpa保壓5min，干壓成型為直徑15mm，厚度2mm圓片，成型坯體經(jīng)220mpa保壓2min后于干燥箱中放置24h，用于釋放靜壓過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得到坯體。
(3)將坯體在空氣中采用無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)溫度參數(shù)為室溫至1000℃，升溫速率為5℃/min,1000-1600℃的升溫速率為3℃/min，燒結(jié)溫度為1600℃，保溫10h，降溫速率為5℃/min，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)均勻擴(kuò)散和收縮后得到稀土鈮酸鹽y3(ta0.1nb0.9)o7粉體，再與y3nbo3混合均勻，經(jīng)過(guò)噴霧造粒，干燥處理形成30-70μm的高流動(dòng)性粉末，其中，高流動(dòng)性粉末中y3nbo3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％。
(4)在鈷基或者鎳基金屬基底表面沉積一層150μm的金屬粘結(jié)層fecraly合金，將高流動(dòng)性粉末采用電子束物理氣相在金屬粘結(jié)層的表面沉積200μm厚的陶瓷層，形成熱障涂層體系。
經(jīng)檢測(cè)，實(shí)施例1-7制備的熱障涂層體系的涂層氣孔率和涂層熱導(dǎo)率的結(jié)果如下所示：
由上表可見，本發(fā)明制備的熱障涂層體系的具有低的熱導(dǎo)率，而且具有弱發(fā)光性能。
上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。