[发明专利]一种掺杂改性的稀土锆酸盐粉体及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种掺杂改性的稀土锆酸盐粉体及其制备方法和应用，所述掺杂改性的稀土锆酸盐粉体化学组成为(RE_1‑xA_x)₂Zr₂O₇，其中，A³⁺取代RE位，取代离子A³⁺的离子半径小于原离子RE³⁺，当取代离子A³⁺的离子半径比原离子RE³⁺小不超过5％时，0x≤0.5；当取代离子A³⁺的离子半径比原离子RE³⁺小10‑15％时，0x≤0.4；当取代离子A³⁺的离子半径比原离子RE³⁺小超过20％时，0x0.05，掺杂元素A为钇或钪或铋或铟或任意一种镧系元素，RE为任意一种稀土元素。本发明掺杂改性的稀土锆酸盐粉体在等离子体喷涂工艺制备热障涂层上有宽广的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种超低热导率耐高温陶瓷材料的制备技术，特别地，涉及一种通过掺杂立方烧绿石结构制备超低热导率高温热障涂层面层材料的方法及其应用。

背景技术

热障涂层(Thermal barrier Coating,TBC)是指沉积在耐高温合金部件(如航空发动机热端部件)表面、具有优异隔热性能的陶瓷涂层体系。它的应用可显著降低基体的工作温度，保护金属基体免受高温燃气冲蚀，提高其高温工作寿命，进而提升航空发动机的推力和推重比。热障涂层材料需要具有低热导率、高熔点、高化学稳定性，与金属基体相匹配的热膨胀系数以及良好的抗烧结性能。其中，具有优异的耐温性、优异的隔热性能是热障涂层材料的核心性能要求。

目前广泛应用的热障涂层材料主要是亚稳态四方相部分氧化钇稳定氧化锆(缩写为 t’-YSZ)。该材料具有相对较低的热导率，相对较高的断裂韧性，热膨胀系数与耐高温合金基材相匹配。由此，t’-YSZ热障涂层在服役温度不超过1200℃条件下，其服役寿命较长、可靠性较优。但是，当服役温度超过1200℃，不可转变的亚稳态四方相(t’)将转变为稳态四方相(t)，而该四方相是可转变的，在降温过程中将发生四方相(t)向单斜相(m)的转变，该过程中会产生体积变化并在涂层中产生裂纹，进而造成热障涂层的失效。因此， t’-YSZ热障涂层的服役温度一般认为不应超过1200℃。

随着新一代航空发动机的发展，其推力和推重比不断提升，造成其涡轮前进口温度不断提升，如目前研究的四代机其前进口温度超过1500℃，而五代机其涡轮前进口温度将超过1700℃，显然传统的t’-YSZ热障涂层已经难以满足应用需求，需要开发耐温性更加优异的高温热障涂层材料。目前，稀土锆酸盐RE₂Zr₂O₇被学界认为是最有前景的高温热障涂层材料。它具有以下优点：1)优异的耐温性能，烧绿石/萤石型立方相稀土锆酸盐RE₂Zr₂O₇一般从室温到其熔点保持单相，并且其熔点一般接近甚至超过2000℃；2)热导率相对较低；3)更低的氧透过率，有利于延缓热生长氧化物层(TGO)的生长，这对延长其寿命是有利的；4)烧绿石/萤石型立方相稀土锆酸盐RE₂Zr₂O₇具有十分开放的晶格，即其RE 位(或称为A位)和Zr位(或称为B位)都可以被化学性质相似的原子取代，因此，可对其热物理性能(即热导率、热膨胀系数等)进行进一步设计和调控，从而更好地满足热障涂层对材料性能的需求。

稀土锆酸盐开放的晶格结构为该材料的设计和性能优化提供了自由度。鉴于热障涂层材料的隔热性能的极端重要性，即隔热性能的提高直接关系到涡轮前进口温度的提升，进而提高航空发动机的推力和推重比，因此业内一直存在对具有超低热导率的高温热障涂层材料的迫切需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有超低热导率的高温热障涂层用掺杂改性的稀土锆酸盐粉体材料，从而有效提高热障涂层在服役温度下的隔热性能，最终提升航空发动机的推力和推重比。