一种抑制热障涂层材料稀土铌酸盐相变的方法

本发明属于热障涂层，具体涉及一种抑制热障涂层材料稀土铌酸盐相变的方法。

背景技术：

1、随着高性能航空发动机和燃气轮机(两机)的研发不断取得进展，高温部件特别是高温燃烧室的温度越来越高(目前燃烧室温度已超过1500℃，随着研发的进展可能要超过1700℃甚至更高)，金属叶片面的服役环境越来越苛刻，一般的单晶或者金属叶片很难满足要求，作为一种有效的解决办法就是在金属叶片外面镀上一层由低导热的陶瓷材料组成的防护层，即热障涂层，涂层的应用达到隔热和力学防护的双重目的。近年来，热障涂层在航空发动机和燃气轮机的高压涡轮叶片、燃烧室及冷却流道，以及在工业燃气轮机热端部件中得到了广泛而深刻的应用，实践表明其能够显著提高“两机”的效率和服役寿命。考虑到热障涂层在复杂的环境苛刻下服役，单一材料难以满足要求，实际应用的热障涂层由多层组成，主要包括隔热陶瓷顶层(ceramic top coat)、氧化物层(thermally grown oxide，tgo)、粘接层(bond-coat，bc)和单晶或合金基底(substrate)等。通常所说的热障涂层主要指的是顶层的陶瓷涂层和粘接层，其中陶瓷层厚度大约100～400μm，承担了绝大部分温度梯度(约10℃/μm)是隔热的主体。

2、目前商业使用的较为成熟的热障涂层是ysz，是到目前为止综合性能最佳，两机中应用最广泛的热障涂层材料，然而随着高性能两机的研发，进口温度进一步提高，ysz的问题呈现较多，特别是当温度高1200℃时，冷却过程中发生t→m转变，导致较大的体积变化，从而引起涂层中的脱落，因此ysz的使用温度往往被限制在1200℃以下。此外ysz的热导率需求还是有一定的差距，高温下金属部件高效热防护有限，因此需要研发新一代高温热障涂层材料。为了研发新一代高温热障涂层材料，国内外科研人员进行了很多探索，目前比较有前景的有稀土锆酸盐(ln2zr2o7,ln为稀土元素，美国专利6231991)，该材料体系相比ysz具有更低的热导率，高温相稳定性。实际上稀土锆酸盐已经在某些j级燃气轮机中得到实际应用(zirconates as new materials forthermal barrier coatings[j],《journalofamerican ceramic society》,2000(83),p2023–2028；[2]defect engineering indevelopment of low thermal conductivitymaterials:a review[j],《journalofeuropean ceramic society》,2017(37),p1-13)。稀土锆酸盐的缺点也比较明显，体现在其热膨胀系数比ysz低，导致其与金属粘接层匹配性不理想，因此其热循环寿命受到较大影响。

3、近年来稀土铌酸盐由于其优异的综合性能越来越受到关注(yang jun,pan wei,han yi,zhao meng,huang muzhang,wan chunlei.mechanical properties,oxygenbarrier property,and chemical stability of re3nbo7 for thermal barriercoating,journal of the american ceramic society,2020,103(4):2302-2308.[2]yangjun,qian xin,pan wei,yang ronggui,li zheng,han yi,meng zhao,muzhang huang,chunlei wan.diffused lattice vibration and ultralow thermal conductivity inthe binary ln-nb-o oxide system,advanced materials,2019,31(24):1808222(1-9))，稀土铌酸盐是结构和功能一体化材料，结构陶瓷和功能陶瓷领域都有广泛应用。金属nb是过渡金属元素，导致其具有丰富的外层电子结构，核外电子排布为4d45s1，常见价态为+5，适合作为功能材料应用。作为结构材料使用，特别是作为高温热障涂层材料使用，其部分体系材料存在比较显著的温度相变(andréekahn-harari,mazerolles l,michel d,robertf.structural description ofla3nbo7.jsolid state chem.1995；116(1):103-06.[2]luc,nino jc.synchrotron and neutron powder diffraction study of phasetransition in weberite-type nd3nbo7 and la3nbo7.j solid state chem.2011；184:2263-71.)，导致较大的体积变化，在热循环过程中容易导致涂层过早脱落，降低涂层使用寿命。针对这些问题需要设计一种抑制该类材料温度相变的方法，同时提升其他热学和力学性能，增强涂层的耐久性。

技术实现思路

1、针对具有化学组成为a3nbo7的稀土铌酸盐材料在稀土离子半径较大时存在低温相变,导致体积变化影响涂层热循环的寿命，本发明目的是提供一种抑制稀土铌酸盐热障涂层材料温度相变的方法。

2、本发明提供一种抑制热障涂层材料稀土铌酸盐相变的方法，通过在热障涂层材料a3nbo7中掺杂小离子半径的稀土b离子形成化学组成为(a1-xbx)3nbo7固溶体，从而抑制热障涂层材料a3nbo7的相变，其中，a为la或sm中任意一种，b为钇离子(y3+)、gd3+、er3+、yb3+、lu3+中任意一种。

3、较佳的，x＝0.1～0.5。

4、与现有技术相比，本发明优点在于：

5、1.通过选择小离子半径稀土元素作为掺杂离子能有效抑制a3nbo7的相变，当掺杂量较大时(x＝0.5)，相变得到完全抑制。

6、2.本发明方法制备的固溶体材料热导率(1.1～1.8w/m·k)相比目前商用的ysz材料(～2.5w/m·k)有大幅降低，提升隔热性能。

7、3.本发明方法制备的材料对高温阶段辐射传热具有明显的抑制作用。

8、4.本发明方法制备的材料具有与ysz可以比拟的热膨胀系数，较好的断裂韧性。本发明材料可应用于燃气轮机、航空发动机或其他装备高温金属热端部件的防护。

技术特征：

1.一种抑制热障涂层材料稀土铌酸盐相变的方法，其特征在于，通过在热障涂层材料a3nbo7中掺杂小离子半径的稀土b离子形成化学组成为(a1-xbx)3nbo7固溶体，从而抑制热障涂层材料a3nbo7的相变，其中，a为la或sm中任意一种，b为y3+、gd3+ 、er3+、yb3+、lu3+中任意一种。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，x=0.1~0.5。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，具体步骤为：将所需的la2o3、nb2o5和y2o3氧化物粉末于800~1000℃煅烧1h去除杂质，后按化学计量比称量混合，进行球磨；

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，球磨时，用无水乙醇作为混合介质，氧化锆为球磨介质，球磨转速为250~300rpm。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，球磨后对浆料进行旋转蒸发，置于120℃干燥箱干燥12h，过400目筛，后于1400℃下煅烧4 h成预成相粉体。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，将所述预成相粉体采用压片机20mpa保压5min压制初始素坯，成型坯体经220mpa冷等静压2min后于干燥箱中放置24h，释放静压过程中产生的内应力。

7.如权利要求3所述的方法，其特征在于，高温烧结温度参数为：以5℃/min升温速率从室温升温至1000℃，以3℃/min升温速率从1000℃升温至1500℃，在1500~1600℃下保温10小时，以5℃/min降温速率降至室温。

技术总结本发明涉及一种抑制热障涂层材料稀土铌酸盐相变的方法，属于高温热障涂层材料领域。本发明通过在热障涂层材料A<subgt;3</subgt;NbO<subgt;7</subgt;中掺杂小离子半径的稀土B离子形成化学组成为(A<subgt;1‑x</subgt;B<subgt;x</subgt;)<subgt;3</subgt;NbO<subgt;7</subgt;固溶体，从而抑制热障涂层材料A<subgt;3</subgt;NbO<subgt;7</subgt;的相变，其中，A为La或Sm中任意一种，B为Y<supgt;3+</supgt;、Gd<supgt;3+</supgt;、Er<supgt;3+</supgt;、Yb<supgt;3+</supgt;、Lu<supgt;3+</supgt;中任意一种。当x=0.5时相变得到完全抑制，且固溶体材料从室温至1600℃保持相稳定性，1000℃时热导率为1.1~1.8W/m·K,相比目前商用的7~8wt%氧化钇稳定氧化锆（YSZ）材料（~2.5W/m·K）有大幅降低，且具有与YSZ相近的热膨胀系数。本发明的材料可应用于燃气轮机或航空发动机高温金属热端部件的防护。技术研发人员：杨军,汪泽焱,李延标,高雅君,上官金文,姚佳受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18