一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层陶瓷粉体材料技术领域，具体而言，涉及一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料及其制备方法。

背景技术

传统热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)在超过该温度条件下长时服役过程中会发生烧结与相变现象，前者会导致涂层力、热学性能快速退化，后者会引起约5％体积膨胀，二者综合作用下热障涂层内部应力水平升高，易发生屈曲与断裂失效。

等离子喷涂物理气相沉积(PS-PVD)是在低压等离子喷涂(LPPS/VPS)工艺基础上发展起来的新型等离子喷涂热障涂层制备技术。通过提高喷涂舱室真空度与喷枪功率，等离子焰流长度显著增加，可以使热障涂层陶瓷粉体材料充分熔融、气化，进行固-液-气多相沉积，形成独特的羽毛型柱状结构。前期研究结果表明，柱状结构有利于提高热障涂层的抗烧结性能。从结构设计角度出发，通过等离子喷涂物理气相沉积技术制备羽毛型柱状结构，是提高热障涂层抗烧结性能的有效途径。然而，等离子喷涂物理气相沉积工艺对陶瓷粉体材料具有特殊要求。首先，粉体材料粒径不能太小，粉体粒径过小容易导致喷枪堵塞；其次，粉体材料粒径不能太大，粉体粒径过大会导致融化不充分、难以气化，无法实现气相沉积，从而不能形成羽毛型柱状结构；再次，粉体材料形貌需要较高的球形度，多棱角的不规则形貌会导致流动性较差不利于送粉。

高熵陶瓷概念起源于高熵合金，是由五种及以上多元金属阳离子以(近)等物质的量组成的单相多组元固溶材料。自2015年提出以来，高熵陶瓷材料快速发展，已形成高熵碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、硫化物等多个体系。其中，高熵稀土锆酸盐具有良好的高温相稳定性、与高温合金基底相近的热膨胀系数以及超低的热导率，是一种极具潜力的热障涂层陶瓷材料。然而，现有热障涂层高熵稀土锆酸盐陶瓷材料的制备方法主要为固相烧结-破碎-压块工艺(CN110272278A)，粉体形貌及粒径分布不适用于等离子喷涂物理气相沉积。面向1500℃及以上的超高温热障涂层应用环境，目前的高熵陶瓷材料研究仅关注了高温相稳定性(CN114920559A、CN114230339A、CN114149260A、CN113816751A、CN113023776A)与抗熔盐腐蚀性能(CN112341197A)，缺乏针对抗烧结性能的定量表征与评价，难以进行热障涂层抗烧结高熵陶瓷材料开发，无法为热障涂层超高温服役过程结构与性能退化行为预测提供依据，不利于实现高熵陶瓷热障涂层长时超高温应用。1500℃超高温条件下，目前唯一广泛应用热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)存在严重的烧结与相变问题，力、热学性能随烧结时间的增加而快速退化，抗烧结性能不足，无法应用于超高温热障涂层。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料，以解决现有高熵陶瓷材料不适用于等离子喷涂物理气相沉积热障涂层制备，以及目前唯一广泛应用热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)抗烧结性能不足的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料，其特征在于，所述粉体材料的化学式为(Y

优选地，所述粉体材料在1500℃条件下烧结200h后，抗烧结系数R

本发明还提供上述等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料的制备方法，包括如下步骤：

将Y

优选地，所述固相反应的时间为2±1h。

优选地，所述喷雾干燥的条件为送料温度240±10℃、转速35±5rpm，压力2.0±0.5bar。

优选地，所述研磨的条件为：以无水乙醇为介质、ZrO

所述干燥的条件为在70±10℃下干燥20±2h。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明所述一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)，在1500℃超高温条件下具有较好的抗烧结性能，粉体材料形貌与粒径分布适于等离子喷涂物理气相沉积工艺，有利于羽毛型柱状结构抗烧结高熵陶瓷热障涂层应用，从材料与结构两个层级协同提升热障涂层抗烧结性能；所述粉体材料制备工艺简单，有利于等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料批量制备与工程应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)经固相反应后的亚微米尺度元素分布图。

图2为本发明一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)经固相反应、喷雾造粒后的微观形貌照片。

图3为本发明一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)经固相反应、喷雾造粒、压块后的微米尺度元素分布图。

图4为本发明一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)与目前唯一广泛应用热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)在1500℃超高温抗烧结性能实验中晶粒尺寸随烧结时间变化规律图。

图5为本发明一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)与目前唯一广泛应用热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)在1500℃超高温抗烧结性能实验中无量纲抗烧结性能评价参数R

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

将Y

激光粒度仪分析结果表明，本实施例等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料D

如图1所示，固相反应后等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料具有亚微米结构，透射电子显微镜能谱分析结果表明，该粉体材料在亚微米尺度上各稀土元素分布均匀，未出现偏析或聚集。

如图2所示，喷雾造粒后等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料由亚微米/微米级稀土氧化物原始粉体团聚形成球状形貌，具有高球形度。较高的球形度和适宜的粒径表明该粉体适用于等离子喷涂物理气相沉积工艺。

如图3所示，扫描电子显微镜能谱分析结果表明，喷雾造粒团聚等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料经压块后在微米尺度上各稀土元素分布均匀，未出现偏析或聚集。

如图4所示，制备态等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料平均晶粒尺寸较小，仅为0.89μm。

如图5所示，制备态等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料无量纲抗烧结性能评价参数R

实施例2

将Y

如图4所示，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结20h后平均晶粒尺寸增大，由初始0.89μm增大到1.06μm，增幅19％。

如图5所示，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结20h后无量纲抗烧结性能评价参数R

实施例3

本实施例主要过程与实施例2一致，仅1500℃均匀温度场抗烧结实验时长变为200h。

如图4所示，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结200h后平均晶粒尺寸进一步增大，由初始0.89μm增大到1.82μm，增幅104％。

如图5所示，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结200h后无量纲抗烧结性能评价参数R

对比例1

将氧化钇稳定氧化锆YSZ(99.9％,10μm,Oerlikon Metco)原始粉体在高温箱式炉中进行1600℃固相反应，保温时间2h；经破碎、研磨、过筛后，在喷雾干燥机中进行团聚造粒，送料温度240℃、转速35rpm，压力2.0bar；将喷雾造粒后粉体材料压块并通过扫描电子显微镜结合图像法统计得到平均粒径，分别通过纳米压痕与激光闪光法得到弹性模量与热导率，根据Lv et al.,J.Eur.Ceram.Soc.,38(2018)1946-1956公式(15)计算无量纲抗烧结性能评价参数R

如图4所示，制备态等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料平均晶粒尺寸为0.77μm，与制备态等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料平均晶粒尺寸相近。

如图5所示，制备态等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料无量纲抗烧结性能评价参数R

对比例2

将氧化钇稳定氧化锆YSZ(99.9％,10μm,Oerlikon Metco)原始粉体在高温箱式炉中进行1600℃固相反应，保温时间2h；经破碎、研磨、过筛后，在喷雾干燥机中进行团聚造粒，送料温度240℃、转速35rpm，压力2.0bar；将喷雾造粒后粉体材料压块并在高温箱式炉中进行1500℃均匀温度场抗烧结实验，时长20h，通过扫描电子显微镜结合图像法统计得到平均粒径，分别通过纳米压痕与激光闪光法得到弹性模量与热导率，根据Lv et al.,J.Eur.Ceram.Soc.,38(2018)1946-1956公式(15)计算无量纲抗烧结性能评价参数R

如图4所示，等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结20h后平均晶粒尺寸增大，由初始0.77μm增大到1.14μm，增幅48％，高于实施例2等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结20h后平均晶粒尺寸增幅19％。对比结果表明，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃超高温条件下晶粒生长较慢。

如图5所示，等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结20h后无量纲抗烧结性能评价参数R

对比例3

本对比例主要过程与对比例2一致，仅1500℃均匀温度场抗烧结实验时长变为200h。

如图4所示，等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结200h后平均晶粒尺寸进一步增大，由初始0.77μm增大到2.43μm，增幅216％，显著高于实施例3等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结200h后平均晶粒尺寸增幅104％。对比结果表明，等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料在1500℃长时超高温条件下晶粒生长仍然较慢。

如图5所示，等离子喷涂物理气相沉积用氧化钇稳定氧化锆热障涂层粉体材料在1500℃均匀温度场烧结200h后无量纲抗烧结性能评价参数R

综上所述，本发明实施例所提供的一种等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料(YLNSE)相较于目前唯一广泛应用的热障涂层陶瓷材料氧化钇稳定氧化锆(YSZ)，在1500℃超高温条件下具有较好的抗烧结性能，粉体材料形貌与粒径分布适于等离子喷涂物理气相沉积工艺，有利于羽毛型柱状结构抗烧结高熵陶瓷热障涂层应用，从材料与结构两个层级协同提升热障涂层抗烧结性能；所述粉体材料制备工艺简单，有利于等离子喷涂物理气相沉积用抗烧结高熵陶瓷热障涂层粉体材料批量制备与工程应用。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。