[发明专利]一种热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锆酸镧材料，具体涉及一种热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末及其制备方法。该粉末材料适用于热喷涂（等离子喷涂或火焰喷涂）等工艺制备热障涂层或高温烧结工艺制备结构陶瓷。

背景技术

为了提高航空发动机的推力和燃料的热效率，必须提高燃料的燃烧温度，相应地，发动机热端部件的耐热温度也需要提高。在现有高温合金材料和冷却技术的基础上，使用热障涂层材料可以有效保护发动机叶片，降低叶片温度，提高发动机效率。

目前应用较为成熟的热障涂层材料为6-8%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）材料，其具有耐高温、耐腐蚀、较高的热膨胀系数和较低的热导率等优点，但在1200℃长期使用，存在相变、晶粒长大、烧结等现象，从而引发涂层失效。研究发现锆酸镧材料具有优异的热力学性能，高温热稳定性好，热导率低于YSZ，有望替代YSZ作为新一代热障涂层材料。但其热膨胀系数较小（室温~1200℃约9.7×10^-6K^-1），在用作热障涂层材料时，与基体材料不匹配。另，研究表明CeO₂具有较高的热膨胀系数，刘喜华（北京科技大学学报，2004），周宏明（有色金属学报，2007）等人研究发现掺杂CeO₂制备的CeO₂-La₂O₃-ZrO₂微米级复合陶瓷粉体具有相对较高的热膨胀系数。但他们制备铈掺杂复合陶瓷粉体的过程中，并不是按照化学计量比进行B位掺杂的，而是以较小的固溶度加入到体系中去。曹学强等人研究了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇涂层的结构和性能（Journal of Alloys and Compounds, 2010），研究结果表明该涂层并不是以单相形式存在，而是多个晶相的混合物。

除此，制备纳米结构热障涂层的关键则是制备出能保持纳米结构，并且满足喷涂工艺的要求，如颗粒大小及其分布、颗粒形状、流动性等的热喷涂用纳米结构团聚型粉末。具体地，粉体粒径一般要求为20~90 μm，粉体最好为球形或近球形结构。然后再将制得的纳米结构铈掺杂锆酸镧球形采用等离子喷涂或高速火焰喷涂等工艺技术即可沉积成高性能的铈掺杂锆酸镧纳米晶体结构热障涂层。赵晓东等人以纳米锆酸镧为原料，采用喷雾干燥法制备了纳米锆酸镧球形团聚体（有色金属，2008），粉体平均粒径为70 μm，流动速度为90s/50g。由于其是采用先制备纳米粉体、再造粒技术制备得到的，因此由此制得的球形粉体为软团聚粉体，粉体的松装密度大，强度低，流动性能稍差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末及其制备方法，该热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末粒度20-90μm，为均匀球形粉末，流动性好，热传导系数低、线性热膨胀系数大、高温稳定性好；制备方法工艺简单、成本低，所需设备简单，适用于大规模的工业化生产。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末，其特征在于：它为粒度20-90μm的均匀球形粉末，由纳米结构的铈掺杂锆酸镧晶粒团聚而得，其中所述纳米结构的铈掺杂锆酸镧晶粒为单相烧绿石结构，粒度30~250nm，粒度分布均匀可控，呈球状，由Ce对Zr位进行掺杂得到，化学式为La₂Zr_2-xCe_xO₇，其中：0.1≤x≤0.5。

按上述方案，所述热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末中铈掺杂锆酸镧晶粒的化学式中的x优选取值为：0.16≤x≤0.3。

上述热喷涂用纳米结构铈掺杂锆酸镧球形粉末可由以下方法制备得到，具体包括如下步骤：

1）制备氢氧化物胶体：

配制水溶性铈盐、水溶性锆盐和水溶性镧盐的混合溶液，其中铈离子与锆离子的摩尔比为1:19~1:3，铈离子与锆离子的总量与镧离子的摩尔比为1:1；

在混合溶液中加氨水沉淀剂，同时搅拌调节体系pH为8-10，静置陈化得到氢氧化物胶体；

2）固液分离和洗涤：将氢氧化物胶体分离除去杂质，并洗涤至洗涤液中无氯离子残留，然后浓缩得到半固态高粘度氢氧化物凝胶；