[发明专利]一种RE-Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层

说明书

本发明公开了一种RE‑Zr(Hf)共掺杂Gd₂Zr₂O₇材料，所述RE‑Zr(Hf)共掺杂Gd₂Zr₂O₇材料的化学式为(Gd_1‑xRE_x)_2‑z(Zr_1‑yHf_y)_2+zO_7+δ；其中，x为掺杂RE元素的含量，y为掺杂Hf和/或过量的Zr的含量，z表征了(Gd+RE)与Zr(Hf)之间的化学计量比，δ为掺杂所述RE元素所导致的氧空位的浓度；其中，0≤x≤1，0≤y≤1，0≤z≤2，0≤δ≤1。本发明通过在Gd₂Zr₂O₇中共同掺杂RE元素和Zr(Hf)，能够在提高材料的断裂韧性和热膨胀系数的同时，还能降低材料的热导率，使得由RE‑Zr(Hf)共掺杂Gd₂Zr₂O₇材料制成的热障涂层，具有的优异热学性能和力学性能，从而能够更好地发挥热防护的作用。

技术领域

本发明涉及热障涂层材料制备领域，特别涉及一种RE-Zr(Hf)共掺杂锆酸钆材料、制备方法以及热障涂层。

背景技术

现有技术中，在航空发动机热端部件表面涂覆一层耐高温、低导热、抗腐蚀的热障涂层，从而降低其表面温度、提高基体合金的抗高温氧化腐蚀性能。在热障涂层体系中起到热绝缘作用的最主要部分是陶瓷层，陶瓷层材料通常由热导率低、抗热蚀性、抗烧结性能好、热膨胀系数高、韧性好的陶瓷材料制成。在热障涂层正常工作条件下，热障涂层陶瓷顶层部分直接与高温气体接触，工作环境恶劣。由此看出，陶瓷顶层材料的研究，对热障涂层的发展具有十分重要的意义。

目前，8YSZ热障涂层已经成功应用于航空发动机叶片、燃烧室以及其它高温部件的热防护。但是8YSZ由于高温相变和加速烧结的问题导致其不能在1200℃以上长时间工作，而推重比10一级的发动机，叶片的表面温度需要在1200℃以上。因此，随着先进航空发动机推重比的进一步增加，涡轮前温度的进一步提高，经典的8YSZ热障涂层陶瓷材料已经无法满足需求。

广泛受到关注的新一代热障涂层陶瓷顶层材料有稀土元素掺杂氧化锆、钙钛矿结构材料、六铝酸盐材料、萤石结构材料和烧绿石结构材料等，其中烧绿石和萤石结构的材料是最有希望成为下一代超高温陶瓷顶层材料。烧绿石结构的Gd₂Zr₂O₇(锆酸钆)由于具有良好的热物理性能和优异的抗熔盐(CMAS)腐蚀性能而备受关注。当用Gd₂Zr₂O₇作为热障材料时，在室温至1550℃温度下均保持稳定，温度超过1550℃以后会出现烧绿石结构向萤石结构转变，但是此相变仅是有序相向无序相转变的过程，没有体积的变化；除此之外Gd₂Zr₂O₇的热导率远低于YSZ(氧化钇稳定氧化锆)。

相较于传统的8YSZ热障材料相比，Gd₂Zr₂O₇作为新一代超高温陶瓷顶层材料主要有以下缺陷：(1)Gd₂Zr₂O₇材料不具备8YSZ材料的相变增韧机制；(2)发动机热循环时，Gd₂Zr₂O₇陶瓷层材料的较低热膨胀系数(TEC)会引起较高的热应力，这会更容易引发裂纹并促进裂纹扩展，从而较低的断裂韧性和较低的热膨胀系数可能造成陶瓷层的过早失效，致使热障涂层无法发挥热防护的作用。

因此，如何改善Gd₂Zr₂O₇陶瓷材料的隔热性能，使热障涂层材料体系在保持较低的热导率的同时，提高断裂韧性、热膨胀系数。

发明内容