[发明专利]一种等离子物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆掺杂铈酸镧材料粉末及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种等离子物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆掺杂铈酸镧材料粉末及其制备方法和应用，涉及热障涂层技术领域。将氧化镧、氧化铈、氧化钇和氧化锆按照(0.8～1.3)∶1∶0.08∶1的摩尔比例混合进行球磨处理，得到球磨产物，对产物进行过滤并烘干，烘干后与去离子水、粘结剂以及分散剂进行球磨混合均匀，得到浆料，对浆料进行喷雾干燥处理得到粒料；将粒料烧结后进行筛分处理，得到等离子物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆掺杂铈酸镧材料粉末。涂层制备时，在送粉器中将粉末加热，启动等离子物理气相沉积设备，抽真空到压力低于0.08mbar，向真空室中充入氩气到130mbar；然后进行喷涂，制得涂层。本发明步骤简单且节约成本，改善材料性能，可用于大量工业生产。

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，具体涉及一种等离子物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆掺杂铈酸镧材料及其涂层制备方法。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBCs)是利用陶瓷材料优越的耐高温、抗腐蚀和高隔热性能，以涂层形式将陶瓷与金属基体相复合，提高金属热端部件的工作温度，增强热端部件的抗高温氧化能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机效率的一种表面防护技术。

铈酸镧(La₂Ce₂O₇,简称LC)材料具有良好的高温相稳定性(至1400℃无相变)、非常低的热导率(约0.6W/m·K,1000℃)、低比热(0.43J/g·K)和高热膨胀系数(12.6×10^-6/K,300～1200℃)，被学者们视为用于超高温热障涂层陶瓷层的一种很有前景的备选材料。然而，铈酸镧材料本身韧性低的特点制约了其作为超高温热障涂层陶瓷层的使用。

氧化钇稳定氧化锆材料在高温下具有良好的断裂韧性，但该材料热导率较高，在超高温条件下会严重烧结而失效，同样无法作为超高温热障涂层陶瓷层的备选材料。此外，CeO₂和La₂O₃的饱和蒸气压分别为2×10^-2atm和8×10^-5atm(2500℃)，巨大的饱和蒸汽压差异造成喷涂过程中的成分偏离，而偏离化学计量比的涂层在高温条件下热循环性能大幅降低。

目前，制备热障涂层陶瓷层的方法主要有等离子喷涂(Plasma Spray,PS)和电子束物理气相沉积技术(Electron Beam Physical Vapor Deposition,EB-PVD)。等离子喷涂技术的优势在于喷涂效率高，隔热效果好。然而，由于涂层一般为片层状结构，且与基体间的结合方式为机械结合，因而涂层的应变容限较低，抗热循环能力较差，使用寿命较低。而电子束物理气相沉积技术制备的涂层结构为纯气相原子沉积后形成的柱状晶结构，柱与柱之间存在的间隙可以释放热应力，有效地解决了等离子喷涂涂层应变容限低的问题，与PS涂层相比将热循环寿命提高了近8倍，但是电子束物理气相沉积技术的生产成本高，且沉积效率很低。

等离子物理气相沉积技术(Plasma Spray Physical Vapor Depostion,PS-PVD)是在上述两种涂层制备技术上发展起来的一种新型的热喷涂制备技术，兼具PS和EB-PVD技术的优点。等离子物理气相沉积系统的输出功率可达180kW，工作气压能降到1mbar，而且等离子射流能拉长到2m，射流直径可以增加至200～400mm。喷涂粉末被送入焰流中后部分熔化和气化，可以制备固相、液相、气相共同沉积的多晶准柱状结构涂层。研究发现，等离子物理气相沉积技术制备准柱状结构涂层的沉积效率很高、成本较低，具有很好的隔热和抗热震性能。