權(quán)利要求

1.TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料，其特征在于，所述摻雜物為TiSi 2。2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述摻雜物TiSi 2在陶瓷材料中為均勻分布。 3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷材料，其特征在于，所述TiSi 2在陶瓷材料中的用量為0.01wt％-7.5wt％。 4.如權(quán)利要求1-3中任一所述陶瓷材料的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： (1)將Gd 2O 3和ZrO 2進行預(yù)處理； (2)將預(yù)處理后的Gd 2O 3、ZrO 2與TiSi 2進行粉碎，得到混合粉末； (3)將混合粉末烘干、篩分，得到目數(shù)為200-600目的粉體； (4)將粉體高溫處理，再冷卻處理。 5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟(1)中Gd 2O 3和ZrO 2的摩爾比為1：2。 6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中的預(yù)處理方式為將Gd 2O 3和ZrO 2加熱至400℃-600℃，并保溫干燥3-8h。 7.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟(2)中的粉碎方式為濕法高能球磨法，且球磨的時間為8h-12h。 8.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟(3)中的烘干溫度為90℃-150℃，并保溫烘干8h-12h。 9.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于：步驟(4)中高溫處理條件不低于1500℃。 10.一種熱障涂層，其特征在于，包括如權(quán)利要求1-3任一所述的TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7的陶瓷材料。

說明書

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明是關(guān)于高溫隔熱防護材料，特別是關(guān)于一種TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料、制備方法及熱障涂層。

背景技術(shù)

當(dāng)今，航空航天發(fā)動機、燃?xì)廨啓C的發(fā)展趨勢主要是增加發(fā)動機的流量比、推重比、提高發(fā)動機部件在嚴(yán)酷環(huán)境下的熱效率、降低燃料消耗以及提升熱端部件的工作壽命等。為了達(dá)到提高效率、節(jié)約能源的要求，對于發(fā)動機的熱端部件，特別是燃燒室的工作溫度不斷在提高，其工作溫度幾乎是以每年15℃的速率快速上升，燃?xì)鈮毫Ρ忍岣吡私?倍，燃?xì)鉁囟纫殉^1650℃，而現(xiàn)有的高溫合金材料和冷卻技術(shù)并不能滿足當(dāng)前的狀況要求，在這種情況下，具有隔熱、耐腐蝕和抗高溫氧化等性能的熱障涂層技術(shù)逐漸發(fā)展成為解決發(fā)動機熱端部件高溫使用難題的有效途徑之一，并且逐步成為研究的熱點。

典型的熱障涂層的結(jié)構(gòu)分為三部分：基體、粘結(jié)層、陶瓷層，陶瓷層起著隔熱的作用，粘結(jié)層起到抗氧化腐蝕、增強陶瓷層和基體的結(jié)合力以及緩和熱失配的作用，粘結(jié)層的成分主要是MCrAlY，陶瓷層主要有以下幾種體系：1、部分穩(wěn)定的氧化鋯體系：就是在ZrO 2中加入Y 2+、Ca 2+、Mg 2+、Ce 4+等離子半徑與Zr 4+離子半徑相差小于12％的陽離子(通常以相應(yīng)的氧化物形式加入)以一種或者多種共滲的方式進行ZrO 2穩(wěn)定。2、稀土焦綠石或螢石結(jié)構(gòu)化合物體系：這是一大類具有相似結(jié)構(gòu)的化合物，其化學(xué)通式可寫作A 2B 2O 7，其中A為稀土元素，B為某種四價元素。從晶體學(xué)角度，焦綠石結(jié)構(gòu)亦可看作是一種存在“有序缺陷”的螢石結(jié)構(gòu)。它具有比YSZ陶瓷更低的楊氏模量、更低的熱導(dǎo)率和更好的高溫相穩(wěn)定性，因此可以在更高的溫度進行使用，符合高溫材料的發(fā)展趨勢。3、其他結(jié)構(gòu)化合物體系：稀土磷酸鹽體系、磁鉛石結(jié)構(gòu)化合物、石榴石結(jié)構(gòu)化合物以及鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鋯酸鹽等。

如今陶瓷層的研究重點在于稀土焦綠石或螢石結(jié)構(gòu)的A 2B 2O 7化合物體系，該結(jié)構(gòu)主要有Gd 2Zr 2O 7、Sm 2Zr 2O 7、La 2Zr 2O 7等，如文獻發(fā)表在《Surface&Coatings Technology》上的《Microstructure and lifetime of EB-PVD TBCs with Hf-doped bond coat and Gd-zirconate ceramic top coat on CMSX-4 substrates》。不過該體系仍然存在幾個缺陷，較低的熱膨脹系數(shù)和較差的斷裂韌性以及與TGO層材料Al 2O 3的化學(xué)穩(wěn)定性差，此外其抗熱震性能比較差。

公開于該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7熱障涂層陶瓷材料及其制備方法，該陶瓷材料能夠提升Gd2Zr2O7韌性、熱脹系數(shù)以及具有更低的熱導(dǎo)率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例提供了TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7熱障涂層陶瓷材料，所述摻雜物為TiSi 2。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，所述摻雜物TiSi 2在陶瓷材料中為均勻分布。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，所述TiSi 2在陶瓷材料中的用量為0.01wt％-7.5wt％。

所述TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7熱障涂層的制備方法，其包括如下步驟：

(1)將Gd 2O 3和ZrO 2進行預(yù)處理；

(2)將預(yù)處理后的Gd 2O 3、ZrO 2與TiSi 2進行粉碎，得到混合粉末；

(3)將混合粉末烘干、篩分，得到目數(shù)為200-600目的粉體；

(4)將粉體高溫處理，再冷卻處理。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，步驟(1)中Gd 2O 3和ZrO 2的摩爾比為1：2。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，步驟(1)中的預(yù)處理方式為將Gd 2O 3和ZrO 2加熱至400℃-600℃，并保溫干燥3-8h。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，步驟(2)中的粉碎方式為濕法高能球磨法，且球磨的時間為8h-12h。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，步驟(3)中的烘干溫度為90℃-150℃，并保溫烘干8h-12h。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，步驟(4)中高溫處理條件不低于1500℃。

在本發(fā)明的一個或多個實施方式中，還提供了一種熱障涂層，包括如上述所述的TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明實施方式的TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料具有如下優(yōu)點：

摻雜不同含量的TiSi 2后的Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料在1500℃下仍然能夠保持良好的高溫相穩(wěn)定性和較好的抗燒結(jié)性，與傳統(tǒng)的YSZ陶瓷層材料相比，本發(fā)明在高溫下具有更高的熱膨脹系數(shù)以及更低的熱導(dǎo)率，同時具有更好的斷裂韌性。在室溫-1000℃之間，其熱導(dǎo)率在0.9-1.6W·m -1·k -1之間，在1000℃，其熱膨脹系數(shù)可以達(dá)到11×10 -6K -1以上，其室溫斷裂韌性最高可以達(dá)1.83MPa·m 1/2，此外其具有良好的高溫相穩(wěn)定性以及很好的高溫抗燒結(jié)性，適合作為耐高溫的熱障涂層。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一實施方式的摻雜不同含量的TiSi 2(TiSi 2含量分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％)的Gd 2Zr 2O 7的成型結(jié)構(gòu)形貌；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一實施方式的摻雜不同含量的TiSi 2(TiSi 2含量分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％)的Gd 2Zr 2O 7的1000℃的熱導(dǎo)率；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施方式的摻雜不同含量的TiSi 2(TiSi 2含量分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％)的Gd 2Zr 2O 7的斷裂韌性；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施方式的摻雜不同含量的TiSi 2(TiSi 2含量分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％)的Gd 2Zr 2O 7的硬度；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施方式的摻雜不同含量的TiSi 2(TiSi 2含量分別為2.5wt％、5wt％、7.5wt％)的Gd 2Zr 2O 7的熱膨脹速率。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細(xì)描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元件或其它組成部分。

對比例

未摻雜TiSi 2的Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料的制備方法如下：

(1)將0.5mol的Gd 2O 3和1mol的ZrO 2加熱至500℃，保溫5h做干燥處理；

(2)用濕法高能球磨法混合干燥處理過后的0.5molGd 2O 3和1molZrO 2，球磨10h；

(3)取出混合的粉末在120℃干燥箱中保溫10h烘干，過300目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩；

(4)將篩分獲得的粉末放入坩堝中，并置于高溫爐內(nèi)，在1600℃條件下保溫12h，然后隨爐冷卻，即可制得上述熱障涂層陶瓷材料。

將上述制得的陶瓷材料放入模具中，將模具放入壓力機在壓強250MPa下壓制成壓片，便于后續(xù)的測試使用。

Gd 2Zr 2O 7的1000攝氏度熱導(dǎo)率為1.44176W·m -1·k -1，其斷裂韌性為1.22968MPa·m 1/2，其硬度為6.863GPa，其熱膨脹系數(shù)可達(dá)到10.743×10 -6K -1。

實施例1

一種TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料。

TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料的制備方法(TiSi 2的含量為2.5wt％)如下：

(1)將1mol的Gd 2O 3和2mol的ZrO 2加熱至500℃，保溫5h做干燥處理；

(2)用濕法高能球磨法混合干燥處理過后的1molGd 2O 3、2molZrO 2、0.16mol的TiSi 2，球磨10h；

(3)取出混合的粉末在120℃干燥箱中保溫10h烘干，過300目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩；

(4)將篩分獲得的粉末放入坩堝中，并置于高溫爐內(nèi)，在1600℃條件下保溫12h，然后隨爐冷卻，即可制得上述熱障涂層陶瓷材料。

將上述制得的陶瓷材料放入模具中，將模具放入壓力機在壓強250MPa下壓制成壓片，便于后續(xù)的測試使用。

該種組分摻雜過后的1000攝氏度熱導(dǎo)率可低至1.01423W·m -1·k -1，其斷裂韌性可高達(dá)1.59242MPa·m 1/2，其硬度降低至5.615GPa，其熱膨脹系數(shù)可達(dá)到11.4416×10 -6K -1。

實施例2

一種TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料。

TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7熱障涂層陶瓷材料的制備方法(TiSi 2的含量為5wt％)：

(1)將1mol的Gd 2O 3和2mol的ZrO 2加熱至500℃，保溫5h做干燥處理；

(2)用濕法高能球磨法混合干燥處理過后的1molGd 2O 3、2molZrO 2、0.31mol的TiSi 2，球磨10h；

(3)取出混合的粉末在120℃干燥箱中保溫10h烘干，過300目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩；

(4)將篩分獲得的粉末放入坩堝中，并置于高溫爐內(nèi)，在1600℃條件下保溫12h，然后隨爐冷卻，即可制得上述熱障涂層陶瓷材料。

將上述制得的陶瓷材料放入模具中，將模具放入壓力機在壓強250MPa下壓制成壓片，便于后續(xù)的測試使用。

該種組分摻雜過后的1000攝氏度熱導(dǎo)率可低至1.06667W·m -1·k -1，其斷裂韌性可高達(dá)1.82191MPa·m 1/2，其硬度降低至5.233GPa，其熱膨脹系數(shù)可達(dá)到11.1024×10 -6K -1。

實施例3

一種TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7熱障涂層陶瓷材料。

TiSi 2摻雜Gd 2Zr 2O 7陶瓷材料的制備方法(TiSi 2的含量為7.5wt％)如下：

(1)將1mol的Gd 2O 3和2mol的ZrO 2加熱至500℃，保溫5h做干燥處理；

(2)用濕法高能球磨法混合干燥處理過后的1molGd 2O 3、2molZrO 2、0.47mol的TiSi 2，球磨10h；

(3)取出混合的粉末在120℃干燥箱中保溫10h烘干，過300目標(biāo)準(zhǔn)分樣篩；

(4)將篩分獲得的粉末放入坩堝中，并置于高溫爐內(nèi)，在1600℃條件下保溫12h，然后隨爐冷卻，即可制得上述陶瓷材料。

將上述制得的陶瓷材料放入模具中，將模具放入壓力機在壓強250MPa下壓制成壓片，便于后續(xù)的測試使用。

該種組分摻雜過后的1000攝氏度熱導(dǎo)率可低至1.20156W·m -1·k -1，其斷裂韌性可高達(dá)1.85858MPa·m 1/2，其硬度降低至4.212GPa，其熱膨脹系數(shù)可達(dá)到11.3509×10 -6K -1。

前述對本發(fā)明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據(jù)上述教導(dǎo)，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實際應(yīng)用，從而使得本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權(quán)利要求書及其等同形式所限定。

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TiSi2摻雜Gd2Zr2O7陶瓷材料、制備方法及熱障涂層.pdf