稀土改性Sm₂Ce₂O₇熱障涂層陶瓷材料及其制備方法

專利名稱：稀土改性Sm₂Ce₂O₇熱障涂層陶瓷材料及其制備方法
技術領域：
本發明主要涉用三價稀土元素對Sm2Ce2O7進行A位摻雜的熱障涂層用陶瓷材料，用于A位摻雜的三價稀土元素包括La，、Nd、Gd、Dy、Er和Yb，其摻雜量在O-1mol之間均可。
背景技術：
在先進航空渦輪發動機中，為保護高溫下工作的發動機葉片、燃燒室等關鍵金屬部件并提高燃油經濟性，需要在這些關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、金屬粘結層和金屬基體。其中表面陶瓷層主要起隔熱作用，金屬粘結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生的熱應力，同時還可以保護金屬基體不被氧化。目前，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，無論哪一種制備方法，熱障涂層要想更好的發揮其隔熱作用，必須牢固的附著在金屬基體之上。在已有的熱障涂層中，由于氧化乾部分穩定氧化錯(Y2O3 stabilized zirconia,簡稱YSZ)陶瓷具有較低的熱導率(平均約為2. 3W/m.K)，較高的熱膨脹系數(9X10_6/°C )及良好的高溫相穩定性能(<1200°C)，而成為現役應用最廣的熱障涂層。然而，隨著航空發動機向高流量比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發展，其燃燒室關鍵熱端部件的工作溫度將超過1500°C。在這樣的高溫下，現役的YSZ熱障涂層，由于其表層陶瓷材料YSZ在高溫下會發生相轉變，且燒結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動機技術發展的需要。為此，必須設法克服現役YSZ熱障涂層的這一缺陷。就此問題而言，目前公認的有三種途徑(I)采用葉片冷卻技術，如巧妙設計空心葉片的幾何形狀或葉片的冷氣膜設計等；(2)采用真空熔煉和精密鑄造技術研制新型的高溫合金，如定向凝固和單晶葉片；
(3)開發新型的熱障涂層陶瓷材料。就(I)而言，隨著葉片設計和制造技術的改進，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構設計使發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計許用應力的要求，又要在長期的運轉中具備較高的化學穩定性(即耐高溫氧化、抗腐蝕性能)，這兩方面的要求很難同時達到。最好的途徑是在采用先進冷卻技術和開發高溫合金的前提下，開發新型的熱障涂層陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。新型的熱障涂層用陶瓷材料需滿足以下幾點主要要求(I)較低的熱導率(<2.0W/m.K) ; (2)較高的熱膨脹系數(>9X10_6/°C) ; (3)良好的高溫想穩定性能(>1200°C)。目前，已經報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，第二類是化學式為Ln2Zr2O7 (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, La2Ce2O7,稀土改性的 BahLnxNd2 (TVyLny)3Oici 類陶瓷，鋇鑭鈦 Β&1_ 2 (Ti^Lny) 301(|，鋇釹鈦Ba^LnxNd2 (TihLny)3Oltl，鉻酸鑭以及 InFeZnO4 等，但國內有關三價稀土兀素慘雜的Sm2Ce2O7陶瓷材料的研究尚屬空白。

發明內容
本發明要解決都技術問題是提供一種具有較高的熱膨脹系數和較低的熱導率。稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料及其制備方法。本發明的技術方案是稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(SnvxLnx)2Ce2O7，其中Ln為La、Gd、Nd、Er、Dy或Yb，0〈χ〈1。所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，它的步驟如下 (1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質量比為1. 5-2. 5，在行星式球磨機上，濕混6-10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時，將干燥后的粉末人工過20(Γ240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在160(Tl650°C的常壓燒結8 12小時，得到(SivxLnx)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。本發明的有益效果是本發明研制的(SmhLnx)2Ce2O7系列的熱障涂層用陶瓷材料，與7-8%氧化釔部分穩定的氧化鋯相比，本發明的材料在高溫時具有更低熱導率和更高的熱膨脹系數。在高溫下(800-1000°C)，這兩類材料的熱導率約為1. 2-1. 6W/m. K，其熱膨脹系(IOOO0C )數約為11. 4-13. 9 X 10_6/K，完全有潛力用作新型熱障涂層表面層陶瓷材料。本發明制備工藝簡單，成本低，產品在高溫下沒有相變，熱導率低，熱膨脹系數高。


圖1為(SivxGdx)2Ce2O7陶瓷材料的熱導率；
圖2為(SmhGdx)2Ce2O7固溶體的熱膨脹系數；
圖3為(SrvxLax)2Ce2O7固溶體的熱導率；
圖4為(SrvxLax)2Ce2O7固溶體的熱膨脹系數；
圖5為(SmhNdx)2Ce2O7固溶體的熱導率。
具體實施例方式實施例1
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，化學式為(Sma9Gda ^2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 9 摩爾 Sm203、0.1 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Gd2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的60%，瑪瑙球與Gd2O3的質量比為2. 5，在行星式球磨機上，濕混6小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥16小時，將干燥后的粉末人工過200目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在1600°C的常壓燒結8 12小時，得到(Sma9Gdai)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。
實施例2
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(Sma8Laa2)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 8 摩爾 Sm203、0. 2 摩爾 La203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將La2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的60%，瑪瑙球與La2O3的質量比為1. 5，在行星式球磨機上，濕混10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于150°C干燥24小時，將干燥后的粉末人工過240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在1650°C的常壓燒結12小時，得到(Sma8Laa2)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實施例3
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(Sma7Nda3)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 7 摩爾 Sm203、0. 3 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Nd2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的70%，瑪瑙球與Nd2O3的質量比為2，在行星式球磨機上，濕混8小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于140°C干燥16-24小時，將干燥后的粉末人工過200^240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在1620°C的常壓燒結10小時，得到(Sma7Nda3)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實施例4
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(Sma5Era5)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 5 摩爾 Sm203、0. 5 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Er2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的80%，瑪瑙球與Er2O3的質量比為2. 5，在行星式球磨機上，濕混10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥24小時，將干燥后的粉末人工過240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在1650°C的常壓燒結12小時，得到(Sma5Era5)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實施例5
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(Sma3Dya7)2Ce2O7，制備步驟如下
(1)稱取O. 7 摩爾 Sm203、0. 3 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Dy2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的80%，瑪瑙球與Dy2O3的質量比為2，在行星式球磨機上，濕混6-10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥22小時，將干燥后的粉末人工過220目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在1600°C的常壓燒結8小時，得到(Sma3Dya7)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。實施例6
稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(SivxLnx)2Ce2O7,其中 Ln 為 La、Gd、Nd、Er、Dy 或 Yb，0〈χ〈1。所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，它的步驟如下
(1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；
(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質量比為1.5-2. 5，在行星式球磨機上，濕混6-10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉 蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時，將干燥后的粉末人工過20(Γ240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中，在160(Tl650°C的常壓燒結8 12小時，得到(SivxLnx)2Ce2O7熱障涂層用陶瓷材料。
權利要求
1.稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料,其特征在于所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(SivxLnx)2Ce2O7，其中 Ln 為 La、Gd、Nd、Er、Dy 或 Yb，0〈χ〈1。
2.如權利要求1所述的稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的制備方法，其特征在于， 它的步驟如下(1)稱取1-x 摩爾 Sm203、X 摩爾 Ln203、2 摩爾 CeO2 ；(2)將Ln2O3放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去離子水為球磨介質，同時加入瑪瑙球，乙醇或去離子水用量占球磨罐體積的6(Γ80%，瑪瑙球與Ln2O3的質量比為1.5-2. 5，在行星式球磨機上，濕混6-10小時，濕混后，將瑪瑙球從球磨罐子中取出，用旋轉蒸發器除去乙醇或去離子水，將蒸發后的粉末在烘箱中于120°C干燥16-24小時，將干燥后的粉末人工過20(Γ240目篩，將過篩后的粉末在模具中壓制成預制坯體，放入剛玉坩堝中， 在160(Tl650°C的常壓燒結8 12小時，得到稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料。
全文摘要
本發明公開了一種稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料，所述稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料的化學式為(Sm1-xLnx)2Ce2O7，其中Ln為La、Gd、Nd、Er、Dy或Yb，0<x<1。本發明的(Sm1-xLnx)2Ce2O7系列的熱障涂層用陶瓷材料，與7-8%氧化釔部分穩定的氧化鋯相比，本發明的材料在高溫時具有更低熱導率和更高的熱膨脹系數。在高溫下(800-1000℃)，這兩類材料的熱導率約為1.2-1.6W/m.K,其熱膨脹系(1000℃)數約為11.4-13.9×10-6/K，完全有潛力用作新型熱障涂層表面層陶瓷材料。本發明制備工藝簡單，成本低，產品在高溫下沒有相變，熱導率低，熱膨脹系數高。
文檔編號C04B35/622GK102992764SQ20121033462
公開日2013年3月27日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者張紅松, 陳曉鴿, 楊樹森, 張政, 李斌, 李剛, 李振軍, 耿向前 申請人:河南工程學院