一種化學(xué)式為A₃Ce₇Ta₂O_23.5的熱障涂層表面陶瓷層材料及其用圖
【專利摘要】本發(fā)明請(qǐng)求保護(hù)一種化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5的熱障涂層表面陶瓷層材料及其用途，屬于結(jié)構(gòu)陶瓷技術(shù)領(lǐng)域；所述材料具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其中，A為稀土元素，包括La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y，對(duì)應(yīng)的材料分別為L(zhǎng)a3Ce7Ta2O23.5、Nd3Ce7Ta2O23.5、Sm3Ce7Ta2O23.5、Gd3Ce7Ta2O23.5、Dy3Ce7Ta2O23.5、Er3Ce7Ta2O23.5、Yb3Ce7Ta2O23.5和Y3Ce7Ta2O23.5，具有良好的高溫(800?1200℃)相穩(wěn)定性能，且在高溫時(shí)具有更低的熱導(dǎo)率和更高的熱膨脹系數(shù)；可在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中作為熱障涂層表面陶瓷層材料。
【專利說(shuō)明】
一種化學(xué)式為A3Ce7Ta2023.5的熱障涂層表面陶瓷層材料及其用途
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]屬于結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一類化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23^的陶瓷材料，其中，A為稀土元素，包括La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y等元素;該材料具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，可作為熱障涂層表面陶瓷材料用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件。
【背景技術(shù)】
[0002]在先進(jìn)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，為保護(hù)高溫下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性，需要在這些關(guān)鍵金屬部件上面制備陶瓷涂層，這層陶瓷涂層就稱為熱障涂層;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，其中，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(shí)還可以保護(hù)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(wú)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，必須牢固的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(cuò)(Y203stabilized zirconia，簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)向高流量比、高推重比、高渦輪進(jìn)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(guò)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(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變，且燒結(jié)收縮嚴(yán)重等一系列問(wèn)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(dòng)機(jī)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(wèn)題而言，目前公認(rèn)的有二種途徑:
[0007](I)采用葉片冷卻技術(shù)，如巧妙設(shè)計(jì)空心葉片的幾何形狀或葉片的冷氣膜設(shè)計(jì)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(kāi)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(jì)和制造技術(shù)的改進(jìn)，人們得到的效益增長(zhǎng)速率正在下降，目前要想通過(guò)單一的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作溫度再提高幾百攝氏度極端困難;而對(duì)于高溫合金材料而言，既要具有高強(qiáng)度以滿足設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的要求，又要在長(zhǎng)期的運(yùn)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(shí)達(dá)至IJ;最好的途徑是在采用先進(jìn)冷卻技術(shù)和開(kāi)發(fā)高溫合金的前提下，開(kāi)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(diǎn)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(bào)道的新型熱障涂層陶瓷材料，主要有三類，一類稀土摻雜的ZrO2基陶瓷材料;第二類是化學(xué)式為L(zhǎng)n2Zr207(Ln代表三價(jià)稀土元素)的稀土鋯酸鹽;第三類是近3-5年中報(bào)道的其它新型陶瓷，主要有Nd2Ce2O7, La2Ce2O7,稀土改性的Bai—xLnxNdKTii—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.ο~2.5θ6.0~7.5,以及InFeZnCU等，尚無(wú)A3Ce7Ta2023.5用作熱障涂層表面陶瓷層材料的報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一類化學(xué)式為A3Ce7Ta2Oi5的陶瓷材料，其具有較高的熱膨脹系數(shù)、較低的熱導(dǎo)率，以及良好高溫相穩(wěn)定性能，可作為熱障涂層用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件。
[0017]所述一類化學(xué)式為A3Ce7Ta2Oi5的陶瓷材料，其具有螢石晶體結(jié)構(gòu);其中，A為稀土元素，包括La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y等元素，對(duì)應(yīng)的材料分別為L(zhǎng)a3Ce7Ta2O23.5、Nd3Ce7Ta2023.5、Sm3Ce7Ta2023.5、Gd3Ce7Ta2023.5、Dy3Ce7Ta2023.5、Er3Ce7Ta2023.5、Yb3Ce7Ta2023.5 和I
Y3Ce7Ta2023.5o
[0018]所述材料采用固相高溫反應(yīng)法制備，所用原材料為L(zhǎng)a2O3、Nd203、Sm2O3、Gd203、Dy2O3、Er203、Yb2O3、Y2O3、CeO2和Ta2O5等氧化物，純度均為99.9%,制備方法依次包括:1.在制備之前，先將各種稀土氧化物在800°C煅燒4小時(shí)，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(jì)算所需要的每種化合物的量;3.根據(jù)計(jì)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(jìn)行人工研磨，使其充分混合，每次研磨時(shí)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(jī)上壓制成型，其中，圓片壓力為8MPa，長(zhǎng)條試樣壓力為6MPa，壓制后的試樣再在冷等靜壓機(jī)上，在10MPa的壓力下進(jìn)行冷等靜壓處理；5.經(jīng)冷等靜壓處理后的樣品在1600°C下常壓燒結(jié)10小時(shí)，隨爐冷卻，即可得到化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料。
[0019]本發(fā)明還請(qǐng)求保護(hù)所述化學(xué)式為A3Ce7Ta2Oi5的陶瓷材料在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，作為熱障涂層表面陶瓷層材料的用途。
[0020]有益效果
[0021 ]本發(fā)明所述一類化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有良好的高溫(800-1200°C)相穩(wěn)定性能，且與7-8%氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯相比，其在高溫時(shí)具有更低的熱導(dǎo)率和更高的熱膨脹系數(shù)，可作為熱障涂層用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃燒室等關(guān)鍵金屬部件。
[0022]說(shuō)明書(shū)附圖
[0023]附圖1A3Ce7Ta2O23.5的XRD圖譜。
[0024]附圖2 A3Ce7Ta2O23.5陶瓷的晶格常數(shù)。
[0025]附圖3A3Ce7Ta2Oi5陶瓷的熱膨脹率隨溫度的變化關(guān)系。
[0026]附圖4A3Ce7Ta2Oi5陶瓷在不同溫度的熱膨脹系數(shù)。
[0027]附圖5A3Ce7Ta2Oi5陶瓷在不同溫度下的熱擴(kuò)散系數(shù)。
[0028]附圖6 A3Ce7Ta2023.5陶瓷在不同溫度下的熱導(dǎo)率。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施例1
[0030]—種化學(xué)式為L(zhǎng)a3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0031]實(shí)施例2
[0032]一種化學(xué)式為Nd3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0033]實(shí)施例3
[0034]—種化學(xué)式為Sm3Ce7Ta2023.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0035]實(shí)施例4
[0036]—種化學(xué)式為Gd3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0037]實(shí)施例5
[0038]一種化學(xué)式為Dy3Ce7Ta2O23^的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0039]實(shí)施例6
[0040]—種化學(xué)式為Er3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0041 ] 實(shí)施例7
[0042]—種化學(xué)式為Yb3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0043]實(shí)施例8
[0044]—種化學(xué)式為Y3Ce7Ta2023.5的陶瓷材料，具有螢石晶體結(jié)構(gòu)，其在高溫時(shí)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(diǎn)，可用作熱障涂層表面層陶瓷材料。
[0045]實(shí)施例9
[0046]化學(xué)式為Sm3Ce7Ta2O23.5的陶瓷材料的制備方法，所需氧化物包括Sm2O3XeO2和Ta2O5，純度均為99.9%,方法包括:
[0047]1.將Sm203、La203和Ta2O5在800°C煅燒4小時(shí)，以除去各種氧化物所吸附的CO2和水蒸氣；
[0048]2.根據(jù)化學(xué)式Sm3Ce7Ta2023.5計(jì)算所需要的每種化合物的量，反應(yīng)方程式如下:
[0049]I.5Sm203+7Ce02+0.5Ta205^Sm3Ce7Ta2023.5 ；
[0050]3.根據(jù)計(jì)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(jìn)行人工研磨，使其充分混合，每次研磨時(shí)間不少于25分鐘；
[0051]4.將研磨好的氧化物混合粉體，在陶瓷粉末壓片機(jī)上壓制成型，其中，圓片壓力為8MPa，長(zhǎng)條試樣壓力為6MPa，壓制后的試樣再在冷等靜壓機(jī)上，在10MPa的壓力下進(jìn)行冷等靜壓處理；
[0052]5.經(jīng)冷等靜壓處理后的樣品在1600°C下常壓燒結(jié)10小時(shí)，隨爐冷卻，即可得到化學(xué)式為Sm3Ce7Ta2023.5的陶瓷材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5的熱障涂層表面陶瓷層材料，其特征在于，所述材料的化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5，具有螢石晶體結(jié)構(gòu);其中，A為稀土元素，包括La、Nd、Sm、Gd、Dy、Er、Yb、Y，對(duì)應(yīng)的材料分別為 La3Ce7Ta2023.5、Nd3Ce7Ta2023.5、Sm3Ce7Ta2023.5、Gd3Ce7Ta2023.5、Dy3Ce7Ta2023.5、Er3Ce7Ta2023.5、Yb3Ce7Ta2023.5 和IY3Ce7Ta2023.5。2.權(quán)利要求1所述的一種化學(xué)式為A3Ce7Ta2O23.5的熱障涂層表面陶瓷層材料的用途，其特征在于，在航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中作為熱障涂層表面陶瓷層材料。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK105859290SQ201610165006
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日
【發(fā)明人】陳曉鴿, 魏媛, 楊樹(shù)森, 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(ài)東
【申請(qǐng)人】河南工程學(xué)院