[发明专利]一种高温稳定且无单斜相的四方氧化锆热障涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种高温稳定且无单斜相的四方氧化锆热障涂层材料及其制备方法，属于热障涂层领域。

背景技术

热障涂层(ThermalBarrierCoatings,简称TBCs)通常是指沉积在耐高温金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层[N.P.Padtureetal.,Science,296,280–284(2002)]。使用热障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燃气涡轮发动机的寿命，在航空航天、船舶、能源等领域有着广泛的应用。为了满足新型航空燃气涡轮发动机的发展需求，要求下一代热障涂层的表面温度达到1500℃以上[J.H.Perepezko,Science,326,1068–1069(2009)；C.G.Levietal.,MRSBull.,37[10]932–941(2012)]。

目前经典的热障涂层材料为～7wt％(或～4mol％)氧化钇(Y₂O₃)部分稳定的氧化锆(ZrO₂)的材料(简称7YSZ)[N.P.Padtureetal.,Science,296,280–284(2002)]。与全稳定的立方氧化锆相比，7YSZ具有较高的断裂韧性，其涂层的热循环寿命更长[C.Merceretal.,Proc.R.Soc.A,463,1393–1408(2007)]。然而，7YSZ在1200℃以上易发生由亚稳四方相(简称t′)到四方相(简称t)和立方相(简称c)的转变，当温度降低至～1000℃附近时，t相发生到单斜相(简称m)的转变存在3～5Vol％的体积膨胀[E.H.Kisietal.,KeyEng.Mater.,153–154,1–36(1998)]，这种体积效应产生的应力容易导致涂层开裂、剥落[D.R.Clarkeetal.,Annu.Rev.Mater.Res.,33,383–417(2003)]。因此，7YSZ涂层只能在1200℃以下使用，其他稀土氧化物REO_1.5(RE＝Nd、Gd、Yb)掺杂或REO_1.5-YbO_1.5(RE＝Y、Nd、Gd)共掺杂的t′-ZrO₂也与7YSZ相类似[K.Jiangetal.,J.Am.Ceram.Soc.,97,990–995(2014)]。

据文献报道，CeO₂掺杂的t′-ZrO₂在1400℃-1600℃区间相稳定，且具有超弹性的特点[A.Laietal.,Science,341,1505–1508(2013)]。另一方面，8mol％氧化钆(GdO_1.5)稳定的t′-ZrO₂的热导率比7YSZ的低～20％[M.N.Rahamanetal.,ActaMater.,54,1615–1621(2006)]，这意味着通过添加CeO₂能提高GdO_1.5稳定的t′-ZrO₂的高温相稳定性，如能实现这种目的，不难预料，这种涂层在使用温度及热循环寿命两方面都将明显优于传统7YSZ涂层。

发明内容

本发明的目的是提供一种高温稳定且无单斜相的四方氧化锆热障涂层材料及其制备方法。该材料在1500℃煅烧80小时后无单斜相，四方氧化锆相含量为48mol％，该材料是利用Sol-喷雾热解法而制得。

根据本发明的一个方面，提供了一种高温稳定且无单斜相的四方氧化锆热障涂层材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)按摩尔比

Ce(NO₃)₃·6H₂O∶Gd(NO₃)₃·6H₂O∶Zr(NO₃)₄·3H₂O＝0.16∶0.08∶0.76配料，配制成透明水溶液；

(2)外加适量添加剂柠檬酸和聚乙二醇，磁力搅拌至澄清透明的溶胶；

(3)以一定压力的纯净空气为雾化介质，将溶胶雾化到刚玉坩埚；

(4)雾化完毕后再将温度升至一定温度进行热处理得到所需原料；

(5)将原料放置于刚玉坩埚中高温煅烧。

根据本发明的一种高温稳定且无单斜相的四方氧化锆热障涂层材料制备方法包括：

1)、按下摩尔比配料