一种四方相高熵热障涂层材料及其制备方法
文献发布时间：2023-06-19 13:48:08
技术领域
本发明涉及热障涂层，更具体地涉及一种四方相高熵热障涂层材料及其制备方法。
背景技术
热障涂层(Thermal Barrier Coatings)用来保护地面燃气轮机和航空发动机中高压涡轮部件的合金叶片避免受到高温燃气的腐蚀和氧化，提高涡轮进口温度，从而极大的改良燃气轮机和航空发动机的工作效率。
目前应用最广泛的热障涂层材料是7～8wt％氧化钇稳定的氧化锆(7～8YSZ)。为了追求燃气轮机更高的工作效率，下一代的燃气轮机燃气使用温度一定会超过1500℃，高于目前7～8YSZ热障涂层的使用范围。已知的热障涂层材料具有的高温相稳定性较差、热导率不够低、抗CMAS能力较差等缺点。
发明内容
为了解决上述现有技术中的已知的热障涂层材料的高温相稳定性较差等问题，本发明提供一种四方相高熵热障涂层材料及其制备方法。
根据本发明的四方相高熵热障涂层材料，其由ZrO
优选地，M为Yb、La或Eu。
优选地，0.088 优选地，ZrO 根据本发明的四方相高熵热障涂层材料的制备方法，其包括如下步骤：S1，按照组元Zr 优选地，在所述步骤S1中，将各氧化物粉末分置于不同的坩埚中，放入箱式马弗炉中于900-1100℃保温1～3h，控制升温速率和降温速率均为2～10℃/min。在优选的实施例中，坩埚为氧化铝坩埚。在优选的实施例中，放入箱式马弗炉中于1000℃保温2h。在优选的实施例中，升温速率和降温速率均为5-8℃/min。在优选的实施例中，箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 优选地，在所述步骤S2中，第一有机溶剂为异丙醇。更优选地，加入80-120ml的异丙醇。在优选的实施例中，加入90-110ml的异丙醇。在优选的实施例中，加入100ml的异丙醇。应该理解，该第一有机溶剂也可以是其他溶剂，例如乙醇、蒸馏水等，其作用是为了吸附在各氧化物粉末的表面，降低表面活性，削弱粉体聚集成团的能力。 优选地，在所述步骤S2中，磨球为氧化锆磨球。应该理解，采用氧化锆磨球不会引入其他杂质，因为基体材料包括氧化锆。更优选地，磨球的直径为0.3～0.5mm。在优选的实施例中，磨球的直径为0.4mm。在优选的实施例中，球料比为8:1。在优选的实施例中，高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 优选地，在所述步骤S2中，球磨转速为2000～3000r/min，球磨时间为6～12h。在优选的实施例中，球磨转速为2100r/min-2700r/min。在优选的实施例中，球磨转速为2500r/min。在优选的实施例中，球磨时间8h。 优选地，在所述步骤S3中，第二有机溶剂为无水乙醇或异丙醇。在优选的实施例中，通过无水乙醇或异丙醇洗涤4～6次。在优选的实施例中，无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 优选地，在所述步骤S3中，洗涤后得到的混合悬浊液置于80～120℃的电热鼓风干燥箱内干燥24～48h后研磨过筛。在优选的实施例中，置于90-100℃的电热鼓风干燥箱内干燥40-48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为3-6微米左右的混合粉末。在优选的实施例中，研磨过筛获得颗粒尺寸为4微米左右的混合粉末。 优选地，在所述步骤S4中，将所得到的混合粉末在200MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成陶瓷胚体。在优选的实施例中，陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 优选地，在所述步骤S4中，陶瓷胚体放入箱式马弗炉中以2～10℃/min的速率从室温升至1500-1700℃，保温12～40h，以30～50℃/min的速率从1600℃降至1100℃，以5～10℃/min的速率从1100℃降至室温，得到高熵陶瓷块体材料。在优选的实施例中，在箱式马弗炉中加热至1600℃保温20h。在优选的实施例中，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为33-44℃/min，1100℃至室温为10℃/min。在优选的实施例中，箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 根据本发明的四方相高熵热障涂层材料，通过多元素共掺杂(包括所有三价元素，五价元素及各稀土元素；如钇，镱，钽，铌等)增加原来体系的熵值，得到的四方相高熵热障涂层材料的物相组成、晶粒尺寸、热学性质(包括热导率、热膨胀系数等)和力学性质(包括硬度、杨氏模量和断裂韧性等)均可调控。一方面，制备出单一或双四方相的高熵氧化物Zr 附图说明 图1是根据本发明的实施例2所制备Zr 图2是根据本发明的实施例2所制备Zr 图3是根据本发明的实施例2所制备Zr 图4是根据本发明的实施例4所制备Zr 图5是根据本发明的实施例4所制备Zr 图6是根据本发明的实施例4所制备Zr 具体实施方式 下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。 实施例1 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(100ml)和氧化锆磨球(0.3mm，球料比为10:1)，进行高能球磨，球磨转速为2500/min，球磨时间12h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用无水乙醇洗涤6次，将得到的混合悬浊液置于100℃的电热鼓风干燥箱内干燥48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为3微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在300MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温20h，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为40℃/min，1100℃至室温为10℃/min，得到最后的高熵Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 实施例2 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(120ml)和氧化锆磨球(0.4mm，球料比为10:1)，进行高能球磨，球磨转速为2100r/min，球磨时间12h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用异丙醇洗涤6次，将得到的混合悬浊液置于120℃的电热鼓风干燥箱内干燥48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为4微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在300MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温20h，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为33℃/min，1100℃至室温为10℃/min，得到最后的高熵Zr 图1给出了所制备Zr 图2给出了所制备Zr 图3给出了所制备Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 实施例3 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(90ml)和氧化锆磨球(0.3mm，球料比为8:1)，进行高能球磨，球磨转速为2700r/min，球磨时间8h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用异丙醇洗涤5次，将得到的混合悬浊液置于90℃的电热鼓风干燥箱内干燥40h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为6微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在200MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温30h，控制升温速率为8℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为44℃/min，1100℃至室温为5℃/min，得到最后的高熵Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 实施例4 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(110ml)和氧化锆磨球(0.4mm，球料比为10:1)，进行高能球磨，球磨转速为2100r/min，球磨时间12h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用异丙醇洗涤6次，将得到的混合悬浊液置于120℃的电热鼓风干燥箱内干燥48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为3微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在300MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温20h，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为30℃/min，1100℃至室温为10℃/min，得到最后的高熵Zr 图4给出了所制备Zr 图5给出了所制备Zr 图6给出了所制备Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 实施例5 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(110ml)和氧化锆磨球(0.4mm，球料比为10:1)，进行高能球磨，球磨转速为2100r/min，球磨时间12h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用异丙醇洗涤6次，将得到的混合悬浊液置于120℃的电热鼓风干燥箱内干燥48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为3微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在300MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温20h，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为30℃/min，1100℃至室温为10℃/min，得到最后的高熵Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 对比例1 按照高熵化设计的多组元Zr 将煅烧后的各种氧化物粉末倒入至高能球磨罐中，加入一定量的异丙醇(110ml)和氧化锆磨球(0.4mm，球料比为12:1)，进行高能球磨，球磨转速为2100r/min，球磨时间12h。 将高能球磨完后的悬浮液进行球料分离，采用异丙醇洗涤6次，将得到的混合悬浊液置于120℃的电热鼓风干燥箱内干燥48h后研磨过筛即可获得颗粒尺寸为15微米左右的混合粉末。 将所得到的混合粉末在400MPa压力下，采用陶瓷压片机压制成一定尺寸的陶瓷胚体，然后放入箱式马弗炉中于1600℃保温20h，控制升温速率为5℃/min，降温速率在1600℃到1100℃为30℃/min，1100℃至室温为10℃/min，得到最后的高熵Zr 所述的氧化粉末氧化锆、氧化钇、稀土氧化物、氧化钽、氧化铌的纯度≥99.5％。 所述的箱式马弗炉是上海科晶有限公司生产的L1700型高温箱式马弗炉。 所述的高能球磨机是美国Union Process有限公司生产的01-HDDM 750cc型高能球磨机和氧化锆内衬。 所述的无水乙醇和异丙醇的纯度≥99.5％。 所述的陶瓷压片机是合肥科晶有限公司生产的YLJ-30T-LD型压片机。 以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。