一種化學(xué)式為La₃TaO₇的熱障涂層表面陶瓷層材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料，及其在航空渦輪發(fā)動機中用作熱障涂層表面陶瓷層材料的用途，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷材料領(lǐng)域；所述材料具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在室溫?1200℃時的熱導(dǎo)率在0.96?1.61W/m.K之間，1200℃時的熱膨脹系數(shù)為11.50×10?6/K，同時在室溫至1200℃之間具有良好的高溫相穩(wěn)定性能，可作為熱障涂層材料用于航空渦輪發(fā)動機葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件。
【專利說明】
一種化學(xué)式為La3Ta07的熱障涂層表面陶瓷層材料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)陶瓷材料領(lǐng)域，具體涉及一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料，該材料具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，可作為熱障涂層用于航空渦輪發(fā)動機葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件。
【背景技術(shù)】
[0002]在先進航空渦輪發(fā)動機中，為保護高溫下工作的發(fā)動機葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件并提高燃油經(jīng)濟性，需要在這些關(guān)鍵金屬部件上面制備陶瓷涂層，這層陶瓷涂層稱為熱障涂層;典型的熱障涂層主要包括三部分，從外向里依次為表面陶瓷層、金屬粘結(jié)層和金屬基體;表面陶瓷層主要起隔熱作用，金屬粘結(jié)層主要功能是緩解表面陶瓷層與金屬基體因熱膨脹不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，同時還可以保護金屬基體不被氧化。
[0003]熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積技術(shù)，無論哪一種制備方法，熱障涂層要想更好的發(fā)揮其隔熱作用，必須牢固附著在金屬基體之上。
[0004]在已有的熱障涂層中，由于氧化乾部分穩(wěn)定氧化錯(Y203stabilized zirconia，簡稱YSZ)陶瓷具有較低的熱導(dǎo)率(平均約為2.3ff/m.K)，較高的熱膨脹系數(shù)(9 X I O—V °C)及良好的高溫相穩(wěn)定性能(<1200°C)，而成為現(xiàn)役應(yīng)用最廣的熱障涂層。
[0005]然而，隨著航空發(fā)動機向高流量比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發(fā)展，其燃燒室關(guān)鍵熱端部件的工作溫度將超過1500°C。在這樣的高溫下，現(xiàn)役的YSZ熱障涂層，由于其表層陶瓷材料YSZ在高溫下會發(fā)生相轉(zhuǎn)變，且燒結(jié)收縮嚴重等一系列問題，不僅使涂層的隔熱性能下降，而且涂層的工作壽命也急劇降低，該類涂層已難于滿足航空發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的需要。
[0006]為此，必須設(shè)法克服現(xiàn)役YSZ熱障涂層的這一缺陷，就此問題而言，目前公認的有二種途徑:
[0007](I)采用葉片冷卻技術(shù)，如巧妙設(shè)計空心葉片的幾何形狀或葉片的冷氣膜設(shè)計等；
[0008](2)采用真空熔煉和精密鑄造技術(shù)研制新型的高溫合金，如定向凝固和單晶葉片；
[0009](3)開發(fā)新型的熱障涂層陶瓷材料。
[0010]就(I)而言，隨著葉片設(shè)計和制造技術(shù)的改進，人們得到的效益增長速率正在下降，目前要想通過單一的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計使發(fā)動機葉片工作溫度再提高幾百攝氏度極端困難;而對于高溫合金材料而言，既要具有高強度以滿足設(shè)計許用應(yīng)力的要求，又要在長期的運轉(zhuǎn)中具備較高的化學(xué)穩(wěn)定性(即耐高溫氧化、抗腐蝕性能)，這兩方面的要求很難同時達至IJ;最好的途徑是在采用先進冷卻技術(shù)和開發(fā)高溫合金的前提下，開發(fā)新型的熱障涂層陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。
[0011]新型的熱障涂層用陶瓷材料需滿足以下幾點主要要求:
[0012](I)較低的熱導(dǎo)率(<2.0W/m.K);
[0013](2)較高的熱膨脹系數(shù)(>9X10—V0C )；
[0014](3)良好的高溫想穩(wěn)定性能(> 1200 °C)。
[0015]目前，已經(jīng)報道的新型熱障涂層陶瓷材料，主要有三類，一類是稀土摻雜的ZrO2基陶瓷材料;第二類是化學(xué)式為Ln2Zr207(Ln代表三價稀土元素)的稀土鋯酸鹽;第三類是近3-5年中報道的其它新型陶瓷，主要有Nd2Ce2O7, La2Ce207、稀土改性的Bai—xLnxNcMTii—yLny)3O10類陶瓷、鋇鑭鈦8&1—兒1^1112(1^111^)301。、鋇釹鈦8&1—兒1^(12(1^111^)301。、鉻酸鑭1^2.0?
3.0Cr2.506.η.5，以及InFeZnO4等，尚無A2LaTaO7用作熱障涂層表面陶瓷層材料的報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料，其具有較高熱膨脹系數(shù)和較低熱導(dǎo)率，以及良好高溫相穩(wěn)定性能，可在航空渦輪發(fā)動機中用作熱障涂層。
[0017]所述一種化學(xué)式為La3Ta07的陶瓷材料，其分子式為La3Ta07，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)；對其進行XRD分析表明，典型衍射峰對應(yīng)的2Θ角分別為26.28。、28.56°、30.87°、32.21°、33.15°、36.96°、40.21°、41.92°、42.40°、43.26°、43.95°、44.43°、45.57°、46.79°、47.93°、49.43°、50.77°、52.23°、54.83°、55.81°、56.41°、58.04°、58.81°、60.52°,62.99°,63.60°、64.05°、67.10。、75.06。、75.58。、78.30。、81.72。、87.16。，晶格參數(shù)為5.5033nm;原子量為709.66ο
[0018]所述材料采用固相高溫反應(yīng)法制備，所用原材料為La2O3和Ta2O5等氧化物，純度均為99.9%,制備方法包括:1.在制備之前，先將各種氧化物在800°C煅燒4小時，以除去各種氧化物所吸附的CO2和水蒸氣;2.根據(jù)生成物的化學(xué)式計算所需要的每種化合物的量;3.根據(jù)計算出的每一種氧化物的質(zhì)量，用分析天平稱量所需的氧化物，而后將稱取的各種氧化物置于瑪瑙研缽中進行人工研磨，使其充分混合，每次研磨時間不少于25分鐘;4.將研磨好的氧化物混合粉體，在陶瓷粉末壓片機上壓制成型，其中，圓片壓力為8MPa，長條試樣壓力為6MPa; 5.壓制后的試樣在冷等靜壓機上，在10MPa的壓力下進行冷等靜壓處理;6.經(jīng)冷等靜壓處理后的樣品在1600°C下常壓燒結(jié)10小時，隨爐冷卻，即可得到化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料。
[0019]本發(fā)明還涉及一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料在航空渦輪發(fā)動機中用作熱障涂層表面陶瓷層材料的用途。
[0020]有益效果
[0021]本發(fā)明所述化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料，其在室溫_1200°C時的熱導(dǎo)率在0.96-1.6lW/m.K之間，1200 V時的熱膨脹系數(shù)為11.50 X 10—6/K，與7_8 %氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯相比，在高溫時具有更低的熱導(dǎo)率和更高的熱膨脹系數(shù)，同時在室溫至1200°C之間具有良好的高溫相穩(wěn)定性能，可用作熱障涂層陶瓷材料。
【附圖說明】
[0022]圖1La3TaO7陶瓷的XRD圖譜。
[0023]圖2La3TaO7陶瓷的熱膨脹率。
[0024]圖3La3TaO7陶瓷在不同溫度下的熱膨脹系數(shù)。
[0025]圖4La3TaO7陶瓷在不同溫度下的熱擴散系數(shù)。
[0026]圖5La3TaO7陶瓷在不同溫度下的熱導(dǎo)率。
【具體實施方式】
[0027]實施例1
[0028]一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)為5.5033nm;其在高溫時具有熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)高及高溫相穩(wěn)定性能好等優(yōu)點，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0029]實施例2
[0030]化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料的制備方法，所用原材料為La2O3和Ta2O5等氧化物，純度均為99.9%，制備方法包括:
[0031 ] 1.將La2O3和Ta2O5在800°C煅燒4小時，以除去各種氧化物所吸附的CO2和水蒸氣；
[0032]2.根據(jù)化學(xué)式La3TaOH十算所需要的每種化合物的量，反應(yīng)方程式如下:
[0033]1.5La203+0.STa2O5^La3TaO7 ；
[0034]3.根據(jù)計算出的每一種氧化物的質(zhì)量，用分析天平稱量所需的氧化物，而后將稱取的各種氧化物置于瑪瑙研缽中進行人工研磨，使其充分混合，每次研磨時間不少于25分鐘；
[0035]4.將研磨好的氧化物混合粉體，在陶瓷粉末壓片機上壓制成型，其中，圓片壓力為8MPa，長條試樣壓力為6MPa ；
[0036]5.壓制后的試樣在冷等靜壓機上，在10MPa的壓力下進行冷等靜壓處理；
[0037]6.經(jīng)冷等靜壓處理后的樣品在16 O O °C下常壓燒結(jié)1小時，隨爐冷卻，即可得La3TaO7陶瓷材料。
【主權(quán)項】
1.一種化學(xué)式為La3Ta07的陶瓷材料，其特征在于，所述材料的分子式為La3Ta07，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)；對其進行X R D分析表明，其典型衍射峰對應(yīng)的2 Θ角分別為2 6.2 8 °、2 8.5 6 °、30.87°、32.21°、33.15°、36.96°、40.21°、41.92°、42.40°、43.26°、43.95°、44.43°、45.57°、46.79°、47.93°、49.43。、50.77°、52.23°、54.83°、55.81°、56.41°、58.04°、58.81°、60.52°、62.99°、63.60。、64.05。、67.10。、75.06。、75.58。、78.30。、81.72。、87.16。，晶格參數(shù)為5.5033nm ；原子量為 709.66。2.權(quán)利要求1所述的一種化學(xué)式為La3TaO7的陶瓷材料在熱障涂層中的用途，其特征在于，所述陶瓷材料在航空渦輪發(fā)動機中用作熱障涂層表面陶瓷層材料。
【文檔編號】C04B35/50GK105837212SQ201610164955
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】陳曉鴿, 楊樹森, 魏媛, 張紅松, 張昊明, 劉彥旭, 廖肅然, 李剛, 李振軍, 張仙平, 段煥林, 王迎輝, 陳愛東
【申請人】河南工程學(xué)院