[发明专利]一种稀土锆酸盐热障涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种稀土锆酸盐热障涂层及其制备方法，所述稀土锆酸盐热障涂层为结晶型涂层，化学组成为Ln_(2‑x)Zr_(2+x)O_(7+x/2)，其中Ln为镧系元素，元素序号为57～71中至少一种，‑1.0≤x≤1.0。

技术领域

本发明涉及一种稀土锆酸盐热障涂层及其制备方法，具体涉及一种采用大气等离子喷涂的方法来制备可进行大范围组分调控的稀土锆酸盐(即Ln_(2-x)Zr_(2+x)O_(7+x/2)系化合物)热障涂层，属于热障涂层制备技术领域。

背景技术

发动机和燃气轮机运行效率的提升，核心途径来源于工作温度的逐步提高，其部件需要具备对高温极端环境的耐受能力。热障涂层由此发展并应用于发动机和燃气轮机的高温合金部件上，起到隔离合金与外界高温环境的作用，使得高温合金能够在接近其熔点的环境温度下仍然保持性能稳定。热障涂层材料需要具备多种性能，主要为低热导率、高温下相稳定性、与基底/粘结层具有较为匹配的热膨胀系数、良好的高温力学性能等。同时，还需要具备较强的抗腐蚀能力。当工作温度达到1200℃及以上时，发动机和燃气轮机工作环境中的尘埃颗粒会在高温下熔融，并且粘附在热障涂层表面导致涂层的腐蚀。这个腐蚀过程使涂层成分发生改变，在多种物理、化学作用下发生失效，进而降低发动机和燃气轮机的使用寿命。

稀土锆酸盐(即Ln_(2-x)Zr_(2+x)O_(7+x/2)系化合物|Ln＝镧系元素)拥有较好的高温力学热学性能、相对高的热膨胀系数等优良性质，被认为是潜在的下一代热障涂层材料。对于腐蚀抗性，该类涂层中的稀土元素在与熔融盐反应过程中能够形成磷灰石相的结晶化合物，从而填补热障涂层中的空隙，抑制熔融盐渗入涂层内部的速度、延缓反应时间，使这类涂层具备较强的抗熔融盐腐蚀能力。同时对于其他力学、热导率性能，目前也正在探索改性。有研究指出对于锆酸钕，其RE/Zr＜1能够降低材料热导率；对于锆酸钆，其RE/Zr＜1能够提升其力学性能等。研究结果指出针对稀土锆酸盐的成分调控能够实现对其性能的调整，制备可在较大范围内进行组分调控的稀土锆酸盐热障涂层成为重要的研究方向。

目前工程上主要使用等离子喷涂(PS)和电子束物理气相沉积(EBPVD)这两种方法制备涂层。前者使用颗粒物料经等离子体高温融化喷涂于基体之上，后者通过电子束轰击原料靶材得到原料分子，再经过气体输运沉积于基体。两种方法中，不论是颗粒物料还是靶材，其制备都需要经过高温煅烧或烧结处理，这一过程中由于稀土元素蒸气压低于锆的蒸气压，会造成稀土元素以氧化物等形式挥发。同时热处理过程中，无定形前驱体会倾向于形成化学计量比Ln₂Zr₂O₇化合物，过量的其他元素会以分相的形式发生偏析。这使得即使制备非化学计量的前驱体，仍然由于挥发、分相而使得物料或靶材无法保留原本的成分配比。而后续沉积过程中，元素挥发会继续发生而造成稀土元素组分进一步降低。故而目前对这类化合物成分调控范围较小，尤其是稀土过量的调控难以实现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种稀土锆酸盐热障涂层及其制备方法。

一方面，本发明提供了一种稀土锆酸盐热障涂层，所述稀土锆酸盐热障涂层为结晶型涂层，化学组成为Ln_(2-x)Zr_(2+x)O_(7+x/2)，其中Ln为镧系元素，元素序号为57～71中至少一种，-1.0≤x≤1.0。

在本发明，稀土锆酸盐热障涂层的成分具有可调控性，其x的调控范围随镧系元素的半径增加而减小。

较佳地，所述稀土锆酸盐热障涂层的厚度为100～1000μm。

另一方面，本发明还提供了一种如上述的稀土锆酸盐热障涂层的制备方法，包括：