本發(fā)明涉及熱障涂層，涉及一種熱障涂層，尤其涉及一種熱障涂層材料、熱障涂層及制備方法。

背景技術(shù)：

1、熱障涂層是一種重要的隔熱和防護(hù)陶瓷涂層，它沉積在耐高溫金屬或超合金的表面，使高溫燃?xì)獾竭_(dá)金屬部件產(chǎn)生較大溫降，降低基底材料的溫度，進(jìn)而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作溫度和使役壽命以及動(dòng)力系統(tǒng)的熱效率。

2、目前，現(xiàn)役6-8wt％y2o3部分穩(wěn)定的zro2(經(jīng)典ysz)熱障涂層因其具有低熱導(dǎo)率、高斷裂韌性以及高熱膨脹系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，基本符合熱障涂層陶瓷面層的選材需求。經(jīng)典ysz涂層經(jīng)久不衰的原因是其具有單一非熱力學(xué)平衡且非轉(zhuǎn)變的亞穩(wěn)四方t’相，t’相是一種介于t相和c相之間的過(guò)渡相，其特有的鐵彈疇結(jié)構(gòu)及其增韌機(jī)制使得ysz涂層在高溫下仍具有良好的斷裂韌性。但由于t’相是亞穩(wěn)定的，當(dāng)涂層長(zhǎng)期處于1200℃以上的高溫服役環(huán)境，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑y2o3將發(fā)生擴(kuò)散，從而生成富y2o3的c相和貧y2o3的t相，隨后在冷卻過(guò)程中，t相又將轉(zhuǎn)變?yōu)閙相，發(fā)生馬氏體相變，并伴隨有3～5％的體積膨脹，導(dǎo)致涂層內(nèi)部應(yīng)力增加并產(chǎn)生大量微裂紋，以至于大面積開(kāi)裂和剝落，從而導(dǎo)致ysz涂層失效。其次，ysz涂層在1200℃以上的高溫服役過(guò)程中易發(fā)生燒結(jié)，使得涂層致密化及楊氏模量增加，致使ysz涂層的隔熱性能和抗熱沖擊性能降低，因此難以滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)引擎向著高推動(dòng)力和長(zhǎng)服役壽命的方向發(fā)展。

3、到目前為止，雖然研究人員已經(jīng)對(duì)ysz改性以及稀土改性鋯/鉿/鈰/鉭/鈮基等氧化物熱障涂層體系開(kāi)展相關(guān)研究，但是新型熱障涂層的綜合性能與經(jīng)典ysz熱障涂層相比缺乏明顯優(yōu)勢(shì)。因此對(duì)現(xiàn)役熱障涂層綜合性能的改進(jìn)，以及對(duì)新的熱障涂層體系的探索，仍然是當(dāng)前研究重點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種熱障涂層材料、熱障涂層及其制備方法，該法通過(guò)氧化鉿連續(xù)固溶氧化鋯提升熱障涂層自身的耐高溫性能，并采用釔元素和鐿元素二元稀土摻雜實(shí)現(xiàn)t’相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，制備出的熱障涂層可以在保留傳統(tǒng)ysz涂層t’相存在形式的同時(shí)，兼具有更加優(yōu)良的熱力學(xué)性能以及更為優(yōu)異的抗燒結(jié)性能。

2、為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種熱障涂層材料，所述熱障涂層材料包括二元稀土摻雜的鋯鉿氧化物固溶粉體，所述二元稀土摻雜元素為釔元素和鐿元素。

4、本發(fā)明通過(guò)氧化鉿連續(xù)固溶氧化鋯，可以提升熱障涂層的耐高溫性能，并提高熱障涂層的熔點(diǎn)和相轉(zhuǎn)變溫度。通過(guò)釔元素和鐿元素的二元稀土摻雜，發(fā)揮二者的協(xié)同作用，提高熱力學(xué)性能的同時(shí)，也能提升熱障涂層的抗燒結(jié)性能，降低熱障涂層的熱導(dǎo)率。

5、優(yōu)選地，所述熱障涂層材料的化學(xué)通式為(zr0.5hf0.5)0.9(y1-xybx)0.1o1.95，其中，0.1≤x≤0.5，例如x可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.45或0.5，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

6、本發(fā)明將y3+和yb3+離子摻雜進(jìn)入鋯鉿氧化物固溶體晶格后，y3+和yb3+離子會(huì)取代zr4+和hf4+離子，產(chǎn)生晶格畸變，同時(shí)產(chǎn)生了一定量的氧空位，從而有利于提高t’相穩(wěn)定性并進(jìn)一步降低熱導(dǎo)率。y3+和yb3+離子半徑的差異，導(dǎo)致進(jìn)入晶格后產(chǎn)生的畸變不同，因此本發(fā)明可以通過(guò)優(yōu)化y3+和yb3+離子之間的摻雜量，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化熱障涂層的熱導(dǎo)率和抗燒結(jié)性能。

7、第二方面，本發(fā)明提供了一種如第一方面所述熱障涂層材料的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

8、第一混合鋯源、鉿源、釔源、鐿源和溶劑后，滴加入沉淀劑后進(jìn)行陳化，再過(guò)濾得到沉淀物，對(duì)沉淀物進(jìn)行煅燒得到所述熱障涂層材料。

9、優(yōu)選地，所述鋯源包括氧氯化鋯、氯化鋯或硝酸鋯中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括氧氯化鋯和氯化鋯的組合，或氧氯化鋯、氯化鋯和硝酸鋯的組合。

10、優(yōu)選地，所述鉿源包括氯化鉿、氧氯化鉿或硝酸鉿中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括氯化鉿和氧氯化鉿的組合，或氯化鉿、氧氯化鉿和硝酸鉿的組合。

11、優(yōu)選地，所述釔源包括氧化釔、氯化釔或硝酸釔中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括氧化釔和氯化釔的組合，或氧化釔、氯化釔和硝酸釔的組合。

12、優(yōu)選地，所述鐿源包括氧化鐿、氯化鐿或硝酸鐿中的任意一種或至少兩種的組合，典型但非限制性的組合包括氧化鐿和氯化鐿的組合，或氧化鐿、氯化鐿和硝酸鐿的組合。

13、優(yōu)選地，所述鋯源、鉿源、釔源和鐿源的化學(xué)計(jì)量比為(0.45):(0.45):(0.05-0.09):(0.01-0.05)，例如可以是0.45:0.45:0.09:0.01、0.45:0.45:0.08:0.02、0.45:0.45:0.07:0.03、0.45:0.45:0.06:0.04或0.45:0.45:0.05:0.05，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

14、優(yōu)選地，所述第一混合的溫度為80-100℃，例如可以是80℃、85℃、90℃、95℃或100℃，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

15、優(yōu)選地，所述溶劑包括去離子水。

16、優(yōu)選地，所述沉淀劑包括氨水。

17、優(yōu)選地，所述沉淀劑的ph值為13-14，例如可以是13、13.2、13.4、13.6、13.8或14，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

18、優(yōu)選地，所述陳化的時(shí)間為12-24h，例如可以是12h、14h、16h、18h、20h或24h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

19、優(yōu)選地，所述陳化后、過(guò)濾前，還包括洗滌。

20、優(yōu)選地，所述洗滌的洗滌劑為去離子水。

21、優(yōu)選地，所述洗滌的次數(shù)為5-7次，例如可以是5次、6次或7次。

22、優(yōu)選地，所述洗滌的終點(diǎn)為使洗滌液的ph值為8-9，例如可以是8、8.2、8.4、8.6、8.8或9，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

23、優(yōu)選地，所述過(guò)濾包括抽濾。

24、優(yōu)選地，所述過(guò)濾后、煅燒前，還包括依次進(jìn)行的清洗和干燥。

25、優(yōu)選地，所述清洗包括用去離子水和乙醇分別清洗3-5次，例如可以是用去離子水清洗3次加用乙醇清洗3次、用去離子水清洗4次加用乙醇清洗4次或用去離子水清洗5次加用乙醇清洗5次，但不限于所列舉的情況。

26、優(yōu)選地，所述干燥包括烘干。

27、優(yōu)選地，所述干燥的溫度為60-80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

28、優(yōu)選地，所述干燥的時(shí)間為10-12h，例如可以是10h、10.5h、11h、11.5h或12h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

29、優(yōu)選地，所述干燥后、煅燒前，還要進(jìn)行研磨和第一過(guò)篩。

30、優(yōu)選地，所述第一過(guò)篩的目數(shù)為150-250目，例如可以是150目、180目、200目、230目或250目，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

31、優(yōu)選地，所述煅燒的溫度為1000-1200℃，例如可以是1000℃、1050℃、1100℃、1150℃或1200℃，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

32、優(yōu)選地，所述煅燒的時(shí)間為2-4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

33、在煅燒過(guò)程中，本發(fā)明通過(guò)調(diào)控煅燒的溫度和時(shí)間，將稀土離子摻雜進(jìn)入鋯鉿固溶體的晶格中，形成t相粉體。在優(yōu)選的煅燒溫度和時(shí)間范圍內(nèi)，制備得到的熱障涂層材料具有穩(wěn)定單一的四方t相。

34、第三方面，本發(fā)明提供了一種熱障涂層，所述熱障涂層的制備原料包括第一方面所述的熱障涂層材料。

35、第四方面，本發(fā)明提供了一種第三方面所述熱障涂層的制備方法，所述制備方法包括如下步驟：

36、第二混合熱障涂層材料、粘結(jié)劑和分散劑，燒結(jié)得到噴涂用粉體，將噴涂用粉體進(jìn)行大氣等離子噴涂，得到所述熱障涂層；

37、所述熱障涂層材料為第一方面所述的熱障涂層材料。

38、優(yōu)選地，所述粘結(jié)劑的用量為熱障涂層材料的10-20wt％，例如可以是10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％或20wt％，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

39、優(yōu)選地，所述分散劑的用量為熱障涂層材料的10-20wt％，例如可以是10wt％、12wt％、14wt％、16wt％、18wt％或20wt％，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

40、優(yōu)選地，所述第二混合后、燒結(jié)前，還要進(jìn)行第二過(guò)篩。

41、優(yōu)選地，所述第二過(guò)篩的目數(shù)為180-400目，例如可以是180目、200目、250目、300目、350目或400目，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

42、優(yōu)選地，所述燒結(jié)的溫度為1100-1300℃，例如可以是1100℃、1150℃、1200℃、1250℃或1300℃，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

43、優(yōu)選地，所述燒結(jié)的時(shí)間為2-3h，例如可以是2h、2.2h、2.5h、2.8h或3h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

44、在燒結(jié)過(guò)程中，本發(fā)明通過(guò)調(diào)控?zé)Y(jié)的溫度和時(shí)間，去除粘結(jié)劑和粉體中的水分，進(jìn)一步增加粉末的穩(wěn)定性以及大小顆粒之間的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)一步優(yōu)化造粒后粉體的流動(dòng)性和松裝密度，有利于后續(xù)大氣等離子噴涂過(guò)程。

45、優(yōu)選地，所述噴涂用粉體的松裝密度為1.7-3g/cm3，例如可以是1.7g/cm3、2g/cm3、2.5g/cm3、2.8g/cm3或3g/cm3，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

46、優(yōu)選地，所述噴涂用粉體的流動(dòng)性為20-55s/50g，例如可以是20s/50g、30s/50g、40s/50g、50s/50g或55s/50g，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

47、本發(fā)明噴涂用粉體的流動(dòng)性測(cè)試參照gb/t?1482-2010《金屬粉末流動(dòng)性的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)漏斗法(霍爾流速計(jì))》。噴涂用粉體流動(dòng)性的測(cè)試方法為：稱量50g的噴涂用粉體裝入霍爾流速計(jì)的漏斗中，計(jì)量50g粉體流過(guò)2.5mm孔徑標(biāo)準(zhǔn)漏斗的時(shí)間，時(shí)間越短則流動(dòng)性越好(單位為s/50g)。

48、本發(fā)明噴涂用粉體的松裝密度測(cè)試參照gb/t?1479.1-2011《金屬粉末松裝密度的測(cè)定第一部分：漏斗法》測(cè)量，具體操作為：將噴涂用粉體裝入霍爾流速計(jì)的漏斗中，讓粉體從漏斗底部的小孔自由流至底部的25cm3標(biāo)準(zhǔn)容器，稱量充滿容器所用粉體的質(zhì)量，計(jì)算得到松裝密度(單位為g/cm3)。

49、松裝密度和流動(dòng)性的最終結(jié)果均取自三次以上測(cè)量數(shù)據(jù)的平均值，以減小誤差。

50、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的噴槍電壓為60-80v，例如可以是60v、65v、70v、75v或80v，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

51、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的噴槍電流為550-650a，例如可以是550a、580a、600a、620a或650a，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

52、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的氫氣流量為35-60l/h，例如可以是35l/h、40l/h、45l/h、50l/h或60l/h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

53、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的氬氣流量為1500-2500l/h，例如可以是1500l/h、1800l/h、2000l/h、2200l/h或2500l/h，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

54、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的噴涂距離為90-120mm，例如可以是90mm、95mm、100mm、110mm或120mm，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

55、優(yōu)選地，所述大氣等離子噴涂的送粉速率為30-50g/min，例如可以是30g/min、35g/min、40g/min、45g/min或50g/min，但不限于所列舉的數(shù)值，數(shù)值范圍內(nèi)其它未列舉的數(shù)值同樣適用。

56、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述制備方法包括如下步驟：

57、(1)按照化學(xué)計(jì)量比第一混合鋯源、鉿源、釔源和鐿源，再加入溶劑，得到澄清溶液；

58、所述第一混合的溫度為80-100℃；

59、(2)將步驟(1)中的澄清溶液滴加入沉淀劑，并陳化12-24h，用去離子水洗滌5-7次，洗滌后洗滌液的ph為8-9，得到白色膠狀沉淀；

60、(3)將步驟(2)得到的白色膠狀沉淀過(guò)濾，再依次用去離子水和乙醇分別清洗3-5次，得到沉淀物；

61、(4)將步驟(3)得到的沉淀物，在60-80℃干燥10-12h后，再依次進(jìn)行研磨、第一過(guò)篩和煅燒，得到熱障涂層材料；

62、所述第一過(guò)篩的目數(shù)為150-250目；所述煅燒的溫度為1000-1200℃，煅燒的時(shí)間為2-4h；

63、(5)第二混合步驟(4)得到的熱障涂層材料、粘結(jié)劑和分散劑，依次進(jìn)行第二過(guò)篩和燒結(jié)，得到噴涂用粉體；

64、所述第二過(guò)篩的目數(shù)為180-400目；所述燒結(jié)的溫度為1100-1300℃，燒結(jié)的時(shí)間為2-3h；所述噴涂用粉體的松裝密度為1.7-3g/cm3，流動(dòng)性為20-55s/50g；

65、(6)將步驟(5)得到的噴涂用粉體進(jìn)行大氣等離子噴涂，得到所述熱障涂層；

66、所述大氣等離子噴涂的噴槍電壓為60-80v，噴槍電流為550-650a，氫氣流量為35-60l/h，氬氣流量為1500-2500l/h，噴涂距離為90-120mm，送粉速率為30-50g/min。

67、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明至少具有以下有益效果：

68、(1)本發(fā)明制備的熱障涂層通過(guò)hfo2連續(xù)固溶zro2，從而提升熱障涂層自身的耐高溫性能，進(jìn)而提高熱障涂層的熔點(diǎn)和相轉(zhuǎn)變溫度；

69、(2)本發(fā)明制備的熱障涂層采用釔元素和鐿元素二元稀土摻雜實(shí)現(xiàn)t’相結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定化，在保留傳統(tǒng)ysz熱障涂層t’相存在形式的同時(shí)，兼具有更加優(yōu)良的熱力學(xué)性能以及更為優(yōu)異的抗燒結(jié)性能；

70、(3)本發(fā)明采用的化學(xué)共沉淀-煅燒法和大氣等離子噴涂制備熱障涂層，該方法簡(jiǎn)單易行，成本較低，適合規(guī)?；a(chǎn)。