专利名称：氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层、制备工艺及其材料和生产方法
技术领域：
本发明涉及一种氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层及其采用的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料，以及该新型热障涂层的等离子体喷涂工艺方法以及非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料的生产制备工艺方法。该种新型粉末材料及涂层特别适合用于传统陶瓷热障涂层和纳米结构热障涂层的修复，并可以单独作为高性能热障涂层使用。
背景技术：
为了降低航天航空发动机的燃料消耗，提高推力/重量比，大量采用各种功能涂层来提高燃气发动机工作温度、使用性能和使用寿命。合理准确地使用热障涂层，可以大幅度提高发动机的工作温度。氧化钇稳定的氧化锆涂层材料是现今广泛研究、普遍采用的理想热障涂层材料。它具有低热导率、高热膨胀系数、1400℃下的高温相稳定、抗腐蚀等优异的综合性能，已成功地应用于火箭、燃气发动机燃烧室，火箭、燃气发动机尾喷管和发动机涡轮机叶片等部位。另外，Y203稳定的ZrO2由于稳定剂与Zr4+的化合价不等，在Zr02中产生了氧空位以保持晶体的电中性。由于氧空位的产生，使材料具有极高的传递氧离子的特性，应用这一性能制备的高温燃料电池固体电解质/电极涂层、氧敏感传感器电解质/电极涂层也有了广泛的应用、研究。
氧化钇稳定的氧化锆陶瓷热障涂层发展到今天，采用热等离子体喷涂方法制备的氧化钇稳定氧化锆纳米结构涂层在机械性能、热学性能、氧离子导体性能等方面均有明显的提高，因而成为当前研究的热点。在已经公开发表的文献和专利中对于氧化钇稳定氧化锆纳米结构热障涂层的制备方法有两种申请号200510019464.8的专利申请文件中提及了一种以液相为原料通过对热等离子体喷涂设备进料部分的改造最终制备具有纳米结构的热障涂层。采用这种方法存在沉积效率低、涂层结合强度小、涂层厚度小等众多缺陷。同时，该方法需要对设备进行改造，设备改造投入大，不易实现。林锋等在其公开发表的论文“喷雾干燥YPSZ纳米结构热喷涂粉末材料制备及表征”(《功能材料》，2005(11)，Vol.36(11)，P1769～1771)中针对另一种方法进行的进一步的研究。采用氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料通过等离子体喷涂方法制备纳米结构氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层同时对制备工艺方法、涂层微观组织结构、涂层性能等方面进行了深入的研究。在申请号200510097797.2专利中提及了热喷涂用氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料及其制备方法，该专利采用纳米粉末材料为原料通过控制水(酒精)、纳米粉末材料、添加剂的比例配置浆料后进行喷雾干燥，最终通过烧结得到氧化钇稳定氧化锆纳米结构粉末材料。该种纳米结构热喷涂粉末材料松装密度相对较低、流动性不高，通常还需要进行高能等离子体处理使其结构致密最终提高其松装密度和流动性能，这一过程大大提高了粉末材料的制备成本和材料损耗，最终导致生产成本高、不易于批量生产。林锋等在“等离子体喷涂纳米结构热障涂层微观组织及性能”(《中国有色金属学报》，2006(3)，Vol.16(3)，P482～487)，以及“YPSZ纳米结构热喷涂粉末材料工艺优化研究”(《材料科学与工程学报》，2006(2)，Vol.24(1)，P∶66～69)论文中针对氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料的制备方法、制备工艺优化、粉末材料性能等方面进行了深入、详细的研究。采用该方法需要首先制备纳米结构的氧化钇稳定氧化锆纳米结构陶瓷粉末材料，导致制备过程复杂化，不易控制。另外，在热等离子体喷涂过程中大部分纳米晶粒融合长大失去的原有的纳米结构，最终导致制备纳米结构热障涂层的性能与传统涂层性能差异不大。
目前尚没有关于采用非晶陶瓷球形粉末材料为原料通过等离子体喷涂制备新型高性能热障涂层方面的专利及文献报道。本发明制备的新型高性能热障涂层具有纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的一种特殊的复合结构。该涂层采用新型的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料为原料通过特色大气等离子体喷涂工艺参数制备。所采用的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料是以锆的盐类晶体和钇的盐类晶体为原料，通过化学共沉淀、凝胶浆化、喷雾干燥等一系列工艺制备。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层及其制备工艺。相对于传统制备的热障涂层及纳米结构热障涂层而言，该热障涂层具有新型的纳米颗粒和蜂窝状网络共同组成的复合结构，高结合强度、低热导率等特点。
本发明的另一个目的是提供用于制备本发明提出的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料和生产方法。
本发明提出的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，其特征在于所述涂层为2～24wt％氧化钇稳定氧化锆的纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的复合结构。
如上所述的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，其特征在于所述涂层材料平均晶粒尺寸5～100nm。
用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的材料，其特征在于所述材料为非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料，其相结构为无定型的非晶氧化钇稳定氧化锆。
用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)将钇的盐类晶体与锆的盐类晶体按照重量比例1∶10-1∶40与水进行充分混合；(2)在步骤(1)的混合溶液中采用均匀快速加入高浓度的碱液的方法使两种盐共沉淀，通过陈化1-12h得到凝胶；(3)取水或酒精或者水与酒精的混合物；(4)将凝胶与3中的溶液按照1∶0.5～4比例进行充分的混合；(5)在步骤(4)的混合液中加入分散剂、粘结剂，并通过球磨、超声波分散工艺0-5h配成浆料；(6)通过喷雾干燥或其它干燥造粒工艺将配置的浆料最终制成适于热喷涂用的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料。
所述用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于钇的盐类晶体为氯化钇、碳酸钇、硝酸钇、醋酸钇、柠檬酸钇等晶体中的一种或几种，锆的盐类晶体为氧氯化锆、碳酸锆、硝酸锆、氯化锆、醋酸锆等晶体中的一种或几种。
所述用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于用于共沉淀需要快速加入的碱液可以是强碱也可以是弱碱，碱液的浓度为20％-60％，碱液的加入速度为0.1-10kg/min。
所述用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于配置浆料的分散剂为乙二醇400、乙二醇600、乙二醇800等，粘结剂为PVA、CMC等，分散剂在浆料中的重量百分含量为0-5％，粘结剂在浆料中的重量百分含量为0-5％。
所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于造粒方法可以是离心喷雾干燥、压力喷雾干燥、混合搅拌干燥造粒工艺中的一种。
利用生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的材料制备氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的工艺，其特征在于将非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料采用高功率、低送粉速率、长喷涂距离的等离子体喷涂工艺进行制备，其具体等离子体喷涂参数为等离子体功率45～60KW、喷涂距离75～125mm、送粉速率10～30g/min。
本发明提出的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层、制备工艺及其材料和生产方法的特色是(1)本发明提出了新型高性能氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层。并指出了涂层的结构为纳米颗粒和蜂窝状网络共同组成的复合结构。
(2)本发明提出的新型高性能氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，在不对热等离子体喷涂设备进行改造的前提下，采用特色的高功率、低送粉速率、长喷涂距离的等离子体喷涂工艺进行制备。
(3)本发明通过特有的均匀快速加入高浓度的碱液的方法使盐溶液共沉淀，陈化后的凝胶物质直接浆化。通过喷雾干燥等造粒工艺将凝胶物质干燥并造粒，不再进行任何后续的热处理工艺，最终得到松装密度高、流动性好适用于热喷涂的无定型结构的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料。
(4)本发明提出的无定型结构的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料的生产工艺流程简单、设备投入小、能耗低、技术含量高、易于批量生产。
附图1新型高性能热障涂层喷涂表面扫描电镜照片；附图2新型高性能热障涂层截面扫描电镜照片；附图3新型高性能热障涂层X射线衍射分析图；附图4非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料形貌扫描电镜照片；附图5非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料X射线衍射分析图。
具体实施例方式
实施例1用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，包括下列步骤取100kg氧氯化锆和4.86kg氯化钇晶体粉末，加入2000kg去离子水，均匀搅拌得到均匀的溶液。在溶液中20min时间加入浓度为40wt.％的氨水溶液70kg，共沉淀得到凝胶并进行2h陈化处理，经过滤洗涤后得到约350kg稳定的凝胶。
按照重量比1∶1加入350kg无水乙醇，经过搅拌球磨2h，超声波分散1h，得到均匀稳定的浆料。
采用离心式喷雾干燥将均匀稳定的凝胶浆料进行喷雾干燥制粒，进口温度为350℃，出口温度为180℃，离心雾化盘转速为11000r/min，旋风分离器用于收集制粒后的粉末材料。粉末过筛(-325目)即得到非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，其相结构为无定型的非晶氧化钇稳定氧化锆。该粉末产品松装密度为1.9g/cm3，流动性为38s/50g制备氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的工艺利用上述非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，采用等离子体喷涂参数为等离子体功率55KW、喷涂距离110mm、送粉速率30g/min在高温合金基体表面喷涂制备新型热障涂层。
氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，所述涂层为8wt％氧化钇稳定氧化锆的纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的复合结构，涂层材料平均晶粒尺寸21nm。
实施例2用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，包括下列步骤取100kg氧氯化锆和4.86kg氯化钇晶体粉末，加入2000kg去离子水，均匀搅拌得到均匀的溶液。在溶液中20min时间加入浓度为40wt.％的氨水溶液70kg，共沉淀得到凝胶并进行2h陈化处理，经过滤洗涤后得到约350kg稳定的凝胶。
按照重量比1∶1加入350kg去离子水，30ml乙二醇600，2000mlPVA，经过搅拌球磨2h，超声波分散1h，得到均匀稳定的浆料。
采用离心式喷雾干燥将均匀稳定的凝胶浆料进行喷雾干燥制粒，进口温度为360℃，出口温度为160℃，离心雾化盘转速为11000r/min，旋风分离器用于收集制粒后的粉末材料。粉末过筛(-325目)即得到非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，其相结构为无定型的非晶氧化钇稳定氧化锆。该粉末产品松装密度为1.7g/cm3，流动性为46s/50g制备氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的工艺利用上述非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，采用等离子体喷涂参数为等离子体功率50KW、喷涂距离90mm、送粉速率20g/min在高温合金基体表面喷涂制备新型热障涂层。
氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，所述涂层为8wt％氧化钇稳定氧化锆的纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的复合结构，涂层材料平均晶粒尺寸12nm。
实施例3用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，包括下列步骤取100kg氧氯化锆和4.86kg氯化钇晶体粉末，加入2000kg去离子水，均匀搅拌得到均匀的溶液。在溶液中20min时间加入浓度为40wt.％的氨水溶液70kg，共沉淀得到凝胶并进行2h陈化处理，经过滤洗涤后得到约350kg稳定的凝胶。
按照重量比1∶1加入350kg无水乙醇，经过搅拌球磨2h，超声波分散1h，得到均匀稳定的浆料。
采用压力式喷雾干燥将均匀稳定的凝胶浆料进行喷雾干燥制粒，进口温度为350℃，出口温度为180℃，二流体喷枪喷嘴压力为6kg，旋风分离器用于收集制粒后的粉末材料。粉末过筛(-325目)即得到非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，其相结构为无定型的非晶氧化钇稳定氧化锆。该粉末产品松装密度为1.8g/cm3，流动性为41s/50g制备氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的工艺利用上述非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷粉末材料产品，采用等离子体喷涂参数为等离子体功率57KW、喷涂距离100mm、送粉速率25g/min在高温合金基体表面喷涂制备新型热障涂层。
氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，所述涂层为8wt％氧化钇稳定氧化锆的纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的复合结构，涂层材料平均晶粒尺寸32nm。
权利要求
1.氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，其特征在于所述涂层为2～24wt％氧化钇稳定氧化锆的纳米颗粒与蜂窝状网络共同组成的复合结构。
2.根据权利要求1所述的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层，其特征在于所述涂层材料平均晶粒尺寸5～100nm。
3.用于生产权利要求1或2所述的氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的材料，其特征在于所述材料为非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料，其相结构为无定型的非晶氧化钇稳定氧化锆。
4.适用于权利要求3所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)将钇的盐类晶体与锆的盐类晶体按照重量比例1∶10-1∶40与水进行充分混合；(2)在步骤(1)的混合溶液中采用均匀快速加入高浓度的碱液的方法使两种盐共沉淀，通过陈化1-12h得到凝胶；(3)取水或酒精或者水与酒精的混合物；(4)将凝胶与3中的溶液按照1∶0.5～4比例进行充分的混合；(5)在步骤(4)的混合液中加入分散剂、粘结剂，并通过球磨、超声波分散工艺0-5h配成浆料；(6)通过喷雾干燥或其它干燥造粒工艺将配置的浆料最终制成适于热喷涂用的非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料。
5.根据权利要求4所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于钇的盐类晶体为氯化钇、碳酸钇、硝酸钇、醋酸钇、柠檬酸钇等晶体中的一种或几种，锆的盐类晶体为氧氯化锆、碳酸锆、硝酸锆、氯化锆、醋酸锆等晶体中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于用于共沉淀需要快速加入的碱液可以是强碱也可以是弱碱，碱液的浓度为20％-60％，碱液的加入速度为0.1-10kg/min。
7.根据权利要求6所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于配置浆料的分散剂为乙二醇400、乙二醇600、乙二醇800等，粘结剂为PVA、CMC等，分散剂在浆料中的重量百分含量为0-5％，粘结剂在浆料中的重量百分含量为0-5％。
8.根据权利要求7所述的用于生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层材料的制备方法，其特征在于造粒方法可以是离心喷雾干燥、压力喷雾干燥、混合搅拌干燥造粒工艺中的一种。
9.利用权利要求3所述的生产氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的材料制备氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层的工艺，其特征在于将非晶氧化钇稳定氧化锆陶瓷球形粉末材料采用高功率、低送粉速率、长喷涂距离的等离子体喷涂工艺进行制备，其具体等离子体喷涂参数为等离子体功率45～60KW、喷涂距离75～125mm、送粉速率10～30g/min。
全文摘要
本发明涉及一种氧化钇稳定氧化锆陶瓷热障涂层、制备工艺及其材料和生产方法。该热障涂层具有新型的纳米颗粒和蜂窝状网络共同组成的复合结构，高结合强度、低热导率等特点，该粉末材料相结构为无定型的非晶，具有松装密度高、流动性好等适合于热喷涂的特点。该种新型粉末材料及涂层特别适合用于传统陶瓷热障涂层和纳米结构热障涂层的修复，并可以单独作为高性能热障涂层使用。
文档编号C04B35/48GK101070246SQ200710118139
公开日2007年11月14日 申请日期2007年6月29日 优先权日2007年6月29日
发明者林锋, 杨中元, 李学锋, 张敬国, 庞鹏沙, 闫世凯, 张景怀, 汪礼敏 申请人:北京有色金属研究总院, 有研粉末新材料(北京)有限公司