專利名稱：一種耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧霞捌渲苽浞椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于隔熱防護材料領(lǐng)域，特別涉及一種耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧霞捌渲苽浞椒ā?br> 背景技術(shù)：
近年來，隨著航空燃?xì)鉁u輪機向高流量比、高推重比、高進口溫度方向發(fā)展，燃燒室中的燃?xì)鉁囟炔粩嗵岣?。然而用于制造工作葉片的高溫合金耐溫能力幾乎達到了材料的極限狀態(tài)，而冷卻技術(shù)能夠降低的溫度也非常的有限，并且加工困難，成本較高。在這種情況下，被譽為航空發(fā)動機第三大技術(shù)的熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。熱障涂層是由金屬黏結(jié)層和隔熱性好的陶瓷層組成的“層合型”復(fù)合涂層系統(tǒng)。利用陶瓷材料低熱導(dǎo)率、良好的抗氧化、耐腐蝕和耐高溫等特性制備的熱障涂層，能夠有效阻止外部環(huán)境的熱量向基體金屬傳遞，提高基體的工作溫度，使其免受高溫氧化、腐蝕和磨損等。研究表明，8%氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(8YSZ)的綜合性能較為優(yōu)越，在1000°C時的熱膨脹系數(shù)為11X10—6 K—1，較為接近基體高溫合金的熱膨脹系數(shù)，而熱導(dǎo)率也較低，為2. 12W · πΓ1 · K'但8YSZ由于長期使用溫度不能超過1200°C，超過1200°C其會發(fā)生相變，微氣孔收縮燒結(jié)，晶粒長大等現(xiàn)象，使得熱導(dǎo)率增大，界面熱應(yīng)力增大而導(dǎo)致涂層失效，無法保護基體高溫氧化，因此已經(jīng)難以滿足高性能航空發(fā)動機渦輪進口溫度進一步升高的需要。美國專利6，231，991中報道了一種具有燒綠石結(jié)構(gòu)的材料A2B2O7，中國發(fā)明專利CN 1657573A也公開了類似的發(fā)明，其中La2Zr2O7陶瓷材料引起了廣大研究者的興趣，它具有較低的熱導(dǎo)率和較好的高溫穩(wěn)定性，在1400°C下依然保持相穩(wěn)定。但La2Zr2O7的熱膨脹系數(shù)較8YSZ低，與基體合金熱膨脹系數(shù)相差較大而引起的不匹配所導(dǎo)致的熱應(yīng)力將更加嚴(yán)重，涂層的壽命較短。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決La2Zr2O7的熱膨脹系數(shù)較8YSZ低，與基體合金熱膨脹系數(shù)相差較大而引起的不匹配所導(dǎo)致的熱應(yīng)力嚴(yán)重，涂層的壽命較短的問題，提供一種由兩種大原子質(zhì)量的稀土元素共摻雜La2Zr2O7的新型高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧霞爸苽浞椒?。本發(fā)明的設(shè)計思想是利用稀土氧化物摻雜La2Zr2O7來提高它的熱膨脹系數(shù)和降低它的熱導(dǎo)率。根據(jù)陶瓷材料的微觀傳熱機制，其熱導(dǎo)率通常取決于聲子散射，而根據(jù)摻雜原理，當(dāng)材料中的原子被較大的原子摻雜，其熱導(dǎo)率會降低。Gd原子和Ce原子的原子質(zhì)量遠比La原子和Zr原子大，因此當(dāng)Gd和Ce對La和Zr位分別進行取代時，材料的熱導(dǎo)率將有希望降低。并且Gd2O3和CeO2的熱膨脹系數(shù)都比較大，因此本發(fā)明預(yù)計當(dāng)La2Zr2O7中的La被Gd部分取代、Zr被Ce部分取代后，所得到的新型陶瓷材料的熱導(dǎo)率將減小，同時熱膨脹系數(shù)將增大。本發(fā)明的耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧系幕瘜W(xué)組成為(LaxGd1J 2 (Zr0.7Ce0.3) 207，
O.I彡X彡O. 9，其特征在于由純度為99. 99%的稀土氧化物L(fēng)a2O3, Gd2O3, Zr0jPCe02合成得到，其中ZrO2和CeO2摩爾比為7:3，La203和Gd2O3的摩爾比為χ: (1-χ),0. I彡χ彡O. 9。所述一種耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧系闹苽浞椒?，其特征在于包括以下各步驟
(1)按照兩種陶瓷材料的化學(xué)組成配比稱量經(jīng)過干燥的粉末，采用濕式高能球磨法混合 12h ；
(2)將上述混合粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干； (3)將上述烘干粉末放在氧化鋯坩堝中，置于高溫爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12^24小時，隨爐冷卻，即可得到所需熱障涂層陶瓷材料。本發(fā)明的耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧嫌捎诓捎么笤淤|(zhì)量的稀土元素對La2Zr2O7進行共摻雜，大大增加了陶瓷材料的聲子散射，使聲子的平均自由程降低，從而使得材料的熱導(dǎo)率大大降低，同時本發(fā)明的陶瓷材料其熱膨脹系數(shù)也比La2Zr2O7有所提高，達到了10. 5X 10_6 Γ1左右，并且與8YSZ相比，具有較高的使用溫度和更好的相穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。因此本發(fā)明的高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧鲜且环N具有良好應(yīng)用前景的新型高溫?zé)嵴贤繉硬牧?。本發(fā)明的耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧暇哂休^低的熱導(dǎo)率，其熱導(dǎo)率在I. 315^1. 512W.nT1 Kl室溫 1200°C )，具有較高的熱膨脹系數(shù)，其熱膨脹系數(shù)為10. 2Γ10. 56X10-6K—1 (溫度為1200°C )，高的相變溫度、良好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性以及低的燒結(jié)性，適用于耐高溫?zé)嵴贤繉拥奶沾蓪硬牧稀?br>

圖I 陶瓷材料(LaxGd1J2Zra7Cea3)2O7 (χ=0· 2，O. 5, O. 7)的熱導(dǎo)率。圖2 陶瓷材料(LaxGd1J2Zra7Cea3)2O7 (χ=0· 2，O. 5, O. 7)的熱膨脹系數(shù)。圖3 陶瓷材料(Laa2G(Ia8)2Zra7Cea3)2O7 粉末及 1400°C、300h 熱處理后的 XRD。圖4 陶瓷材料(Laa2G(Ia8)2Zra7Cea3)2O7 合成粉末。
具體實施例方式本發(fā)明提供了一種化學(xué)組成為(LaxGd1J2(Zra7Cea3)2O7,O. I ^ x ^ O. 9 的耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧?，由純度?9. 99%的稀土氧化物L(fēng)a2O3, Gd2O3, ZrO2和CeO2按一定比例合成得到，其中ZrO2和CeO2摩爾比為7: 3，La2O3和Gd2O3的摩爾比為x: (l_x)，
O.I ^ O. 90該耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧系闹苽浞椒òㄒ韵赂鞑襟E
(1)按照陶瓷材料的化學(xué)組成配比稱量經(jīng)過干燥的粉末，采用濕式高能球磨法混合24
h ；
(2)將上述混合粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干；
(3)將上述烘干粉末放在氧化鋯坩堝中，置于高溫爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12 24小時，隨爐冷卻，即可得到上述耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾蓪硬牧稀Ｏ旅胬e具體實施例對本發(fā)明予以進一步說明。實施例I
a、將純度為99. 99%的La2O3, Gd2O3, ZrO2和CeO2以摩爾比2:8:14:6混合，加入一定量的去離子水用高能球磨機球磨24小時。b采用真空干燥箱對球磨后的粉末進行烘干。
c將烘干得到的粉末放入氧化鋯坩堝，在1600°C的高溫電爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12 24小時，然后隨爐冷卻。d冷卻后取出反應(yīng)物，獲得的材料即為(La。.A(Ia8)2(Zra7Cea3)2O7，經(jīng)測試得到樣品的熱導(dǎo)率為I. 512 W · πΓ1 · Γ1，熱膨脹系數(shù)為10. 21Χ10_6 K'實施例2
a、將純度為99. 99%的La2O3, Gd2O3, ZrO2和CeO2以摩爾比5:5:14:6混合，加入一定量的去離子水用高能球磨機球磨24小時。b采用真空干燥箱對球磨后的粉末進行烘干。 c將烘干得到的粉末放入氧化鋯坩堝，在1600°C的高溫電爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12 24小時，然后隨爐冷卻。d冷卻后取出反應(yīng)物，獲得的材料即為(La。.A(Ia5)2(Zra7Cea3)2O7，經(jīng)測試得到樣品的熱導(dǎo)率為I. 315 W · πΓ1 · K—1，熱膨脹系數(shù)為10. 50Χ10-6 K-1。實施例3
a、將純度為99. 99%的La2O3, Gd2O3, ZrO2和CeO2以摩爾比7:3:14:6混合，加入一定量的去離子水用高能球磨機球磨24小時。b采用真空干燥箱對球磨后的粉末進行烘干。c將烘干得到的粉末放入氧化鋯坩堝，在1600°C的高溫電爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12 24小時，然后隨爐冷卻。d冷卻后取出反應(yīng)物，獲得的材料即為(Latl7Gdtl3)2 (Zrtl7Cetl3)2O7,樣品的熱導(dǎo)率為 I. 315 W · πΓ1 · K—1，熱膨脹系數(shù)為 10. 50Χ10—6 K-1。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧?，其特征在于化學(xué)組成為(LaxGdh)2(Zra7Cea3)2O7,0.1≤X≤0. 9，由純度為99. 99%的稀土氧化物L(fēng)a2O3, Gd2O3, ZrO2和CeO2按一定比例合成得到，其中ZrO2和CeO2摩爾比為7:3，La2O3和Gd2O3摩爾比為x: (l_x)，0. I≤x≤0. 9。
2.如權(quán)利要求I所述的耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧系闹苽浞椒?，其特征在于包括以下各步驟 (1)按照陶瓷材料的化學(xué)組成配比稱量經(jīng)過干燥的粉末，采用濕式高能球磨法混合24小時； (2)將步驟(I)所述混合粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干； (3)將步驟(2)所述烘干粉末放在氧化鋯坩堝中，置于高溫爐中進行高溫反應(yīng)，反應(yīng)時間為12 24小時；隨爐冷卻，即得到耐高溫?zé)嵴贤繉犹沾刹牧稀?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于隔熱防護材料領(lǐng)域，它涉及一種用作高溫?zé)嵴贤繉拥奶沾刹牧霞捌渲苽浞椒?。其特征在于具有下述化學(xué)組成(LaxGd1-x)2(Zr0.7Ce0.3)2O7，0.1≤x≤0.9，由純度為99.99%的La2O3,Gd2O3,ZrO2和CeO2原料粉末經(jīng)900℃干燥、稱量、球磨和烘干，在1600℃下高溫反應(yīng)12~24小時制備得到。本發(fā)明主要解決了目前傳統(tǒng)熱障涂層陶瓷材料8YSZ熱導(dǎo)率過高，耐溫較低和易燒結(jié)等問題，通過大原子稀土元素共摻雜La2Zr2O7的方法得到了具有較低熱導(dǎo)率、較高使用溫度、較低燒結(jié)性、良好高溫化學(xué)穩(wěn)定性以及較高熱膨脹系數(shù)的新型陶瓷材料，該材料適合用作高溫?zé)嵴贤繉拥奶沾蓪硬牧稀?br> 文檔編號C04B35/626GK102659403SQ20121017713
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者周國棟, 曹艷軍, 梁文建, 陳樹海, 項建英, 黃繼華 申請人:北京科技大學(xué)