掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料及其制备方法与应用

本发明属于航空发动机热障涂层陶瓷材料，具体涉及一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、热障涂层技术已成为高温合金构件表面应用最为广泛的高温防护手段，但随着航空发动机向更高推重比、更低油耗特性发展，其涡轮前进口的温度不断提升。目前，常用的热障材料为氧化化钇部分稳定氧化锆（6%-8%ysz），但在温度高于1200℃时，ysz材料易出现相变导致体积膨胀，造成涂层材料脱落失效等，大大限制了氧化钇稳定氧化锆材料的使用温度范围。

2、在众多潜在热障涂层材料中，稀土钽酸盐（retao4）具有优异高温相稳定性、低热导率、高熔点等优良的性能，受到了广泛的研究和关注。低的热导率有利于提供更优异的隔热能力，从而提高使用温度，所以稀土钽酸盐陶瓷材料有望取代ysz陶瓷作为新一代的热障涂层陶瓷材料。

3、钽酸钆作为稀土钽酸盐的一种，为了使其具有更低的热导率和良好的物理性能，需要对其进行离子掺杂改性。

技术实现思路

1、本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料及其制备方法与应用，本发明采用固相反应法制备(gd1-xscx)tao4，具有反应原理简单，合成温度低，所得粉体具有热导率低、粒径小等优点。

2、为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：

3、第一方面，本发明实施例提供了一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料，所述热障涂层陶瓷材料的化学式为(gd1-xscx)tao4，其中n(gd)：n(sc)：n(ta)=1-x：x：1，x的数值范围为0.2-0.4。

4、进一步地，所述热障涂层陶瓷材料由gd2o3粉末、sc2o3粉末以及ta2o5粉末通过高温固相反应法合成，所述gd2o3粉末、sc2o3粉末及ta2o5粉末的纯度均≥99.9%。

5、第二方面，本发明实施例提供了第一方面所述掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：

6、（1）根据热障涂层陶瓷材料中金属元素的摩尔比计算相应氧化物的用量，称取对应量的gd2o3粉末、sc2o3粉末以及ta2o5粉末，并将这三种粉末依次倒入球磨罐中，再向球磨罐中加入无水乙醇；

7、（2）将球磨罐放入行星球磨机中球磨，得到均匀的混合浆液；

8、（3）将混合浆液经过干燥、高温固相反应，得到陶瓷粉体；

9、（4）将步骤（3）得到的粉末经过研磨、过筛、pva聚粒、干压成型、排胶、高温烧结处理后，得化学式为(gd1-xscx)tao4的钪掺杂钽酸钆热障涂层陶瓷材料。

10、进一步地，步骤（2）中球磨的转速为350-450rpm，时间为12-24h。

11、进一步地，步骤（3）中干燥温度为70-90℃，时间为10-20h，高温固相反应温度为1500-1600℃，时间为6-10h。

12、进一步地，步骤（4）中过筛的目数为150-300目，干压成型的第一次加压为180-200mpa，时间为60-70s，第二次加压为160-170mpa，时间为30-35s，排胶的温度为500-550℃，时间为2-3h，烧结温度为1450-1500℃，时间为5-6h。

13、第三方面，本发明实施例提供了第一方面所述的陶瓷材料用于制备航空发动机热端构件表面的热障涂层。

14、本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

15、本发明采用钪掺杂钽酸钆，钪作为镧系元素的同族元素，具有与镧系元素相似的性质，另外，sc3+与gd3+在离子半径和离子质量上都存在较大差异，可以有效引起晶格畸变，降低热导率。

16、本发明通过干压成型、高温烧结得到一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料，该材料在900℃下热导率＜1.95w/(m･k)，能够有效降低热量的传递。材料的制备工艺可靠，性能稳定，适合大规模批量生产，在燃气轮机、航空发动机等热端构件隔热防护领域具有很好的推广前景。

技术特征：

1.一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料，其特征在于，所述热障涂层陶瓷材料的化学式为(gd1-xscx)tao4，其中n(gd)：n(sc)：n(ta)=1-x：x：1，x的数值范围为0.2-0.4。

2.根据权利要求1所述的掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料，其特征在于，所述热障涂层陶瓷材料由gd2o3粉末、sc2o3粉末以及ta2o5粉末通过高温固相反应法合成，所述gd2o3粉末、sc2o3粉末及ta2o5粉末的纯度均≥99.9%。

3.权利要求1或2所述掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

4.根据权利要求3所述的掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤（2）中球磨的转速为350-450rpm，时间为12-24h。

5.根据权利要求3所述的掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤（3）中干燥温度为70-90℃，时间为10-20h，高温固相反应温度为1500-1600℃，时间为6-10h。

6.根据权利要求3所述的掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于，步骤（4）中过筛的目数为150-300目，干压成型的第一次加压为180-200mpa，时间为60-70s，第二次加压为160-170mpa，时间为30-35s，排胶的温度为500-550℃，时间为2-3h，烧结温度为1450-1500℃，时间为5-6h。

7.权利要求1或2所述的陶瓷材料用于制备航空发动机热端构件表面的热障涂层。

技术总结本发明提供了一种掺杂钪的钽酸钆热障涂层陶瓷材料的制备方法及其应用，本发明的热障涂层陶瓷材料的化学式为(Gd<subgt;1‑x</subgt;Sc<subgt;x</subgt;)TaO<subgt;4</subgt;，其中n(Gd)：n(Sc)：n(Ta)=1‑x：x：1，x的数值范围为0.2‑0.4；热障涂层陶瓷材料由Gd<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末、Sc<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末以及Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;粉末通过高温固相反应法合成，Gd<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末、Sc<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;粉末及Ta<subgt;2</subgt;O<subgt;5</subgt;粉末的纯度均≥99.9%。本发明采用钪掺杂钽酸钆，钪作为镧系元素的同族元素，具有与镧系元素相似的性质，另外，Sc<supgt;3+</supgt;与Gd<supgt;3+</supgt;在离子半径和离子质量上都存在较大差异，可以有效引起晶格畸变，降低热导率。技术研发人员：梁文萍,刘新利,缪强,闫荣学,臧恺,谭晓琪受保护的技术使用者：南京航空航天大学无锡研究院技术研发日：技术公布日：2024/9/29