一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法
技术领域
本发明属于航空发动机热障涂层
技术领域
，涉及一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法。背景技术
目前，随着燃气轮机的推力和工作效率的不断提高，燃气进气温度也越来越高，涡轮叶片和其它热端部件使用的镍基高温合金的工作温度已逐渐接近其使用温度极限。热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是利用陶瓷材料耐高温、耐冲刷、抗腐蚀和低热导性能，将其以涂层的形式与金属基体相复合的一种表面防护技术，以提高金属部件的工作温度，增强热端部件的抗高温能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机的工作效率。目前，广泛使用的YSZ(6～8wt.％Y2O3部分稳定化的ZrO2)热障涂层材料的热导率高，超高温寿命较低。然而，下一代高性能航空发动机热障涂层材料需要更佳的隔热效果和服役寿命。因此，研究新型热障涂层材料已成为研制下一代高性能航空发动机的关键课题。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术的不足而设计提供了一种钆钐锆氧热障涂层材料及其制备方法，其目的稀土钐元素复合，解决了单一锆酸钆热障涂层服役寿命不足和YSZ热导率高的问题。
本发明的目的是通过以下技术措施来实现的：
一种钆钐锆氧热障涂层材料，其特征在于：所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1-xSmx)2Zr2O7，其中x＝0.10～0.90。
钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2按照材料分子式比例混合，通过高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成温度1600-1800℃；
步骤二，采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，电压为600-650V，电流为10-20A；
步骤三，将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过电子束蒸发钆钐锆氧靶材，在NiCoCrAlYHf底层上制备钆钐锆氧热障涂层，电子束的束流强度1.0-1.5A。
所述步骤一原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2的纯度≥99.9％。
所述步骤一原材料混合应为机械球磨，时间≥12小时。
所述步骤一高温固相法合成时间≥18小时。
所述步骤二中真空电弧镀设备的真空度<1×10-2Pa。
所述步骤二中真空电弧镀设备的沉积时间≥100min。
所述步骤三中电子束物理气相沉积设备的真空度<5×10-2Pa。
所述步骤三中电子束物理气相沉积热障涂层蒸发时间≥30min。
所述步骤三中电子束物理气相沉积的热障涂层随炉冷却至200℃以下，所述的冷却为自然冷却。
本发明具有的优点和有益效果，本发明作为一类新型热障涂层材料，它们的热膨胀系数与YSZ比较接近，且具有较低的热导率。同时利用电子束物理气相沉积技术制备钆钐锆氧热障涂层，将会使钆钐锆氧热障涂层具有独特的柱状晶结构，同时具有较好的寿命；本发明既能保证降低涂层的热导率，又能提高涂层的服役温度，还能改善涂层服役寿命不足，热膨胀系数低的实际问题。
附图说明
图1为实施例2热导率示意图
图2为实施例2热膨胀系数示意图
图3为实施例2热寿命示意图
图4为本发明柱状晶结构示意图
具体实施方式
以下将结合附图及实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
一种钆钐锆氧热障涂层材料，所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1- xSmx)2Zr2O7，其中x＝0.10～0.90。
钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2按照材料分子式比例混合，原材料的纯度≥99.9％，混合方式为机械球磨，时间≥12小时；通过高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成温度1600-1800℃，合成时间≥18小时；采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为600-650V，电流为10-20A，沉积时间≥100min；将所制备的靶材装入电子束物理气相沉积设备，真空度<5×10-2P，电子束的束流强度1.0-1.5A，蒸发时间≥30min，制备热障涂层，随炉自然冷却至200℃以下。
实施例1：
⑴、原材料配比：按钆钐锆氧热障涂层材料分子式(Gd0.3Sm0.7)2Zr2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2。
⑵、高温固相合成：将原材料机械球磨14h，通过1600℃高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成时间26h；
(3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为600V，电流为10A，沉积时间200min；
(4)、热障涂层制备：将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5×10-2Pa，电子束流强度1.25A，蒸发时间50min，冷却至200摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆氧热障涂层。
所制备钆钐锆氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.25W/(mK)；热膨胀系数为10.82×10-6K-1；热寿命为663小时。
实施例2：
⑴、原材料配比：按钆钐锆氧热障涂层材料分子式(Gd0.5Sm05)2Zr2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2。
⑵、高温固相合成：将原材料机械球磨16h，通过1700℃高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成时间22h；
(3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1×10-2Pa，电压为625V，电流为15A，沉积时间150min；
(4)、热障涂层制备：将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5×10-2Pa，电子束流强度1.35A，蒸发时间40min，冷却至200摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆氧热障涂层。
所制备钆钐锆氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.20W/(mK)；热膨胀系数为11.19×10-6K-1；热寿命为698小时。
实施例3：
⑴、原材料配比：按钆钐锆氧热障涂层材料分子式(Gd0.7Sm0.3)2Zr2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2。
⑵、高温固相合成：将原材料机械球磨16h，通过1800℃高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成时间18h；
(3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，电压为650V，电流为20A，沉积时间100min；
(4)、热障涂层制备：将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5×10-2Pa，电子束流强度1.45A，蒸发时间30min，冷却至200摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆氧热障涂层。
所制备钆钐锆氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.35W/(mK)；热膨胀系数为11.02×10-6K-1；热寿命为678小时。
通过上述实施例可以看出，本发明技术方案与现有技术相比，其优点是：
(1)制备方法上，利用电子束物理气相沉积技术制备热障涂层，将会使热障涂层具有独特的柱状晶结构，同时具有较好的寿命。
(2)涂层设计上，通过钐复合改性，既能降低锆酸钆涂层的热导率，又能改善单一锆酸钆热膨胀系数低、寿命不足的实际问题。
