[发明专利]二价金属离子掺杂La2Ce2O7热障涂层陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用作热障涂层表面陶瓷层的二价金属离子掺杂的La₂Ce₂O₇纳米陶瓷材料及其制备方法。

技术背景

在先进航空涡轮发动机中，为保护高温下工作的发动机叶片、燃烧室等关键金属部件并提高燃油经济性，需要在这些关键金属部件上面制备陶瓷涂层，这层陶瓷涂层就称为热障涂层。典型的热障涂层主要包括三部分，从外向里依次为表面陶瓷层、金属粘结层和金属基体。其中表面陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结层主要功能是缓解表面陶瓷层与金属基体因热膨胀不匹配而产生的热应力，同时还可以保护金属基体不被氧化。目前，热障涂层的制备方法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积技术，无论哪一种制备方法，热障涂层要想更好的发挥其隔热作用，必须牢固的附着在金属基体之上。在已有的热障涂层中，由于氧化钇部分稳定氧化锆（Y₂O₃ stabilized zirconia,简称YSZ）陶瓷具有较低的热导率（平均约为2.3W/m.K），较高的热膨胀系数(9×10^-6/℃)及良好的高温相稳定性能（<1200℃），而成为现役应用最广的热障涂层。

然而，随着航空发动机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，其燃烧室关键热端部件的工作温度将超过1500℃。在这样的高温下，现役的YSZ热障涂层，由于其表层陶瓷材料YSZ在高温下会发生相转变，且烧结收缩严重等一系列问题，不仅使涂层的隔热性能下降，而且涂层的工作寿命也急剧降低，该类涂层已难于满足航空发动机技术发展的需要。为此，必须设法克服现役YSZ热障涂层的这一缺陷。就此问题而言，目前公认的有三种途径：(1)采用叶片冷却技术，如巧妙设计空心叶片的几何形状或叶片的冷气膜设计等；(2)采用真空熔炼和精密铸造技术研制新型的高温合金，如定向凝固和单晶叶片；（3）开发新型的热障涂层陶瓷材料。就(1)而言，随着叶片设计和制造技术的改进，人们得到的效益增长速率正在下降，目前要想通过单一的冷却结构设计使发动机叶片工作温度再提高几百摄氏度极端困难；而对于高温合金材料而言，既要具有高强度以满足设计许用应力的要求，又要在长期的运转中具备较高的化学稳定性(即耐高温氧化、抗腐蚀性能)，这两方面的要求很难同时达到。最好的途径是在采用先进冷却技术和开发高温合金的前提下，开发新型的热障涂层陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。

新型的热障涂层用陶瓷材料需满足以下几点主要要求：（1）较低的热导率（<2.0W/m.K）;（2）较高的热膨胀系数（>9×10^-6/℃）;(3)良好的高温想稳定性能（>1200℃）。目前，已经报道的新型热障涂层陶瓷材料，主要有三类，一类稀土掺杂的ZrO₂基陶瓷材料，第二类是化学式为Ln₂Zr₂O₇（Ln代表三价稀土元素）的稀土锆酸盐；第三类是近3-5年中报道的其它新型陶瓷，主要有Nd₂Ce₂O₇, La₂Ce₂O₇,稀土改性的 Ba_1-xLn_xNd₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀类陶瓷，钡镧钛Ba_1-xLn_xSm₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀，钡钕钛Ba_1-xLn_xNd₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀，铬酸镧La_2.0～3.0Cr_2.0～2.5O_6.0～7.5，以及InFeZnO₄等，但国内有关二价金属阳离子掺杂的La₂Ce₂O₇陶瓷材料的研究尚属空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有较高的热膨胀系数和较低的热导率的二价金属离子掺杂La₂Ce₂O₇热障涂层陶瓷材料及其制备方法。