[发明专利]一种原位反应制备的纳米复相热障涂层材料La2Zr2O7-YSZ及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种原位反应制备纳米复相热障涂层材料La₂Zr₂O₇-YSZ的制备方法，属于热障涂层领域。本发明还涉及用该方法制备的材料。

背景技术

热障涂层(Thermal Barrier Coatings，简称TBC)是沉积在耐高温金属的表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，能使基体材料免受高温氧化和腐蚀，并能降低基体表面的工作温度、提高油料的燃烧效率，而且也可以极大地延长发动机的寿命，是现代国防尖端技术领域中的重要技术之一。与开发新的高温合金相比，热障涂层技术的研究成本更低，工艺也更现实可行，在西方发达国家，热障涂层技术不仅已运用在航空涡轮发动机热端部件高温防护上，并且逐步向轮船、汽车、能源等领域的热端部件上推广。为适应高效动力燃气涡轮发动机进口温度的不断增长，发展高温热障涂层是该领域的必然趋势。由图1可见，目前高推比燃气涡轮发动机要求叶片服役温度在1200℃，而目前单晶叶片使用温度更高只能达到1100℃，因此必须发展能够在1200℃温度以上使用的热障涂层。

传统的热障涂层基本结构为以MCrAlY(M＝Ni、Co、Ni-Co)或PtAl为中间层、以具有高熔点(2600℃)、低热导率(1000℃，2.12W·m^-1·K^-1)、热膨胀系数高(25℃～1000℃，10.7×10^-6K^-1)、以及良好的断裂韧性和抗高温燃气腐蚀等特点的4mol％Y₂O₃稳定的ZrO₂(简称4YSZ)为隔热层的双层结构，如图2所示。金属粘结层主要作用是缓解基体与陶瓷层之间热应力和提高基体的抗高温氧化的作用，陶瓷层主要作用是隔热和抗高温燃气腐蚀的作用。但YSZ在1170℃附近的相变体积效应，以及超过1200℃相变加剧、易烧结(降低涂层隔热效果)、氧传导率升高(提高金属粘结层氧化速率)等诸多因素，不能在1200℃温度下使用。

为提高热障涂层的使用温度和隔热效果，研究发现烧绿石结构稀土锆酸盐(Ln₂Zr₂O₇，Ln＝La、Nd、Gd)材料。与YSZ相比较，Ln₂Zr₂O₇热导率均约降低30％；热膨胀系数除了La₂Zr₂O₇(简称LZ)略偏低外，Nd₂Zr₂O₇和Gd₂Zr₂O₇比YSZ约高9％；在室温至1400℃温度区间无相变，能够耐1400℃高温烧结；高温氧传导率低。因此，被认为最有希望成为未来高温或超高温热障涂层隔热层材料。然而，该类材料相对于YSZ的致命弱点是韧性较差，易导致热循环过程中涂层表面掉快或脱落现象。

随着热障涂层使用温度的提升，热障涂层在高温热冲击过程中承受的热应力也将会增大，而低热导率和高热膨胀系数的脆性金属氧化物陶瓷材料，难以承受这种苛刻的复杂环境。因此，作为新型热障涂层隔热层陶瓷材料，具有低的热导率和高的热膨胀系数的同时，也必须具有良好的断裂韧性。但是，从目前研究的结果来看，尚没有同时具有上述特性、并能够在1200℃温度以上使用的隔热层陶瓷材料。

可以设想，如果将具有可塑性的YSZ加入Ln₂Zr₂O₇材料中，不仅可以提高Ln₂Zr₂O₇的断裂韧性，也能够进一步降低YSZ的热导率，特别是高均匀性的纳米复合化，不仅能够更显著地提高材料的力学性能，同时因界面对声子的散射效应增强，热导率也将会得到进一步的降低。然而，因纳米级粉料易团聚、分散性差，采用机械混合方法会出现陶瓷粉体组分不均匀、纳米团聚体易烧结晶粒长大，材料的力学性能和可靠性下降，因此传统方法不能够获得高均匀性的纳米复相材料。

发明内容

本发明人对有关问题进行了深入分析和研究，并发现：借助液相分散可以提高各元素均匀性，并利用原位反应能够获得小尺度均匀性的纳米复合材料，同时界面结合紧密，特别是直接键合甚至形成共格结构的纳米复相陶瓷材料，因能够使晶粒尺寸更细小和有效抑制晶粒长大，不但可以提高陶瓷材料的力学性能，还可以提高陶瓷材料的高温性能。