一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法

摘要

本发明涉及热障涂层技术领域，具体公开了一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，取两种以上不同摩尔比为x的Al2O3粉末与Nb2O5粉末混合后分别进行无压烧结，得到多种烧结体，将多种烧结体粉碎后过筛得到多种Al2O3增韧AlNbO4陶瓷粉体；将多种陶瓷粉体分别混合成n份混合陶瓷粉体，n份混合陶瓷粉体中至少一种以上的陶瓷粉体的体积分数为连续变化；将n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到成分连续变化的陶瓷涂层。通过本专利得到的陶瓷涂层，既保证陶瓷涂层具备原本氧化铝增韧铌酸铝的高韧性，同时通过实验检测得到热导率未超过1.25W·m‑1·K‑1，满足热障涂层对低热导率的需求。

权利要求

1.一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤1：取两种以上不同摩尔比为x的Al2O3粉末与Nb2O5粉末分别混合后分别进行无压烧结，得到多种烧结体，烧结的温度为1200℃～1400℃，烧结的时间为6～10h，其中x＞1，且x≤4；

步骤2：将步骤1得到的多种烧结体粉碎后过筛得到多种Al2O3增韧AlNbO4陶瓷粉体；

步骤3：将步骤2得到的多种陶瓷粉体分别混合成n份混合陶瓷粉体，n份混合陶瓷粉体中至少一种以上的陶瓷粉体的体积分数为连续递增或递减的变化；

步骤4：将步骤3得到的n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到成分连续变化的陶瓷涂层。

2.根据权利要求1所述的一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中陶瓷涂层的厚度为150～500μm。

3.根据权利要求1所述的一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中陶瓷涂层的梯度层数n为6～21层。

4.根据权利要求1所述的一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中过筛的筛目不小于400。

5.根据权利要求1所述的一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤4中采用APS、HVOF、EB‑PVD或者超音速电弧喷涂法进行涂层沉积处理。

说明书

一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法。

背景技术

[0002] 热障涂层是航空发动机和燃气轮机在全新合金冷却技术和全陶瓷发展方向的一个结合，目前广泛应用于航空发动机工业，因其具有低热导率、高热膨胀系数、抗烧结、高温
稳定性良好等优点，主要应用在发动机的高温部件，在高温燃气和合金部件基体之间提供
一个低热导的热屏蔽层，降低发动机叶片的工作温度，抵抗燃气粒子冲击从而保护航空发
动机的使用寿命。

[0003] 目前广泛使用的主要有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)等，但均‑1 ‑1
存在一定程度的不足：YSZ使用温度较低(≦1200℃)，热导率相对较高(2.5W·m K )；而
RE2Zr2O7则存在热膨胀系数较低的问题，其它具有优良热学性能的氧化物陶瓷，例如稀土铈
酸盐(RE2Ce2O7)、稀土磷酸盐(REPO4)和稀土硅酸盐(RE2SiO5)等，但它们无法而完全取代YSZ
作为热障涂层使用，这是由于YSZ在高温下存在着铁弹性相变，使得YSZ在高温下依然具有
良好的力学性能。

[0004] 寻找具有优良力学性能的新型铁弹体陶瓷材料是取代当前使用的热障涂层的关键一步，目前不少研究人员提出稀土铌酸盐(RENbO4)作为铁弹体材料的一种，兼具良好的
热学及力学性能，此外铌酸铝陶瓷(AlNbO4)具有与稀土铌酸盐相近的热‑力学性质，其缺点
在于韧性较差，热导率较高，难以直接作为热障涂层和环境涂层使用，为了进一步优化其力
学性质，我们通过添加氧化铝对其进行增韧处理，发现其韧性得到提升的同时，热导率也得
到改善，但目前通过实验论证该热导率依然偏高，因此如何进一步降低氧化铝增韧铌酸铝
陶瓷的热导率是本申请要解决的重点问题。

发明内容

[0005] 本发明提供了一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，以解决现有技术中氧化铝增韧铌酸铝陶瓷作为热障涂层时热导率仍然偏高的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

[0007] 一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0008] 步骤1：取两种以上不同摩尔比为x的Al2O3粉末与Nb2O5粉末分别混合后分别进行无压烧结，得到多种烧结体，其中x＞1；

[0009] 步骤2：将步骤1得到的多种烧结体粉碎后过筛得到多种Al2O3增韧AlNbO4陶瓷粉体；

[0010] 步骤3：将步骤2得到的多种陶瓷粉体分别混合成n份混合陶瓷粉体，n份混合陶瓷粉体中至少一种以上的陶瓷粉体的体积分数为连续递增或递减的变化；

[0011] 步骤4：将步骤3得到的n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到成分连续变化的陶瓷涂层。

[0012] 本技术方案的技术原理和效果在于：

[0013] 1、本方案中通过对采用不同摩尔比的Al2O3与Nb2O5得到的氧化铝增韧陶瓷粉体进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种陶瓷粉体的体积分数是在连续变化，这样的
方式能够保证陶瓷涂层具备原本氧化铝增韧铌酸铝的高韧性，同时其热导率也大幅度的下
‑1 ‑1
降，通过实验检测得到热导率未超过1.25wm ·K ，满足热障涂层对低热导率的需求。

[0014] 2、本方案中能够得到低热导率的陶瓷涂层，其原因在于，各梯度涂层之间成分呈渐变的形式，这样各梯度涂层之间形成的界面少，使得界面效应弱，同时最重要的一点在
于，在各梯度涂层沉积过程中，每一层的成分还会不断的扩散，使得界面效应继续减弱，从
而使得热导率下降。

[0015] 进一步，所述步骤4中陶瓷涂层的厚度为150～500μm。

[0016] 有益效果：通过实验证明，陶瓷涂层的厚度设定为150～500μm，得到的陶瓷涂层热导率较低。

[0017] 进一步，所述步骤4中陶瓷涂层的梯度层数为6～21层。

[0018] 有益效果：通过实验证明，陶瓷涂层的梯度层数为6～21层，得到的陶瓷涂层热导率较低。

[0019] 进一步，所述步骤1中x≤4。

[0020] 有益效果：通过实验发现，氧化铝的成分含量不宜过高，原因在于，氧化铝含量越高其与铌酸铝之间的晶界增多，越容易产生位错滑移、空位等缺陷，另外晶体内部也会有一
定的界面效应产生，因此需要对氧化铝含量进行限制。

[0021] 进一步，所述步骤1中烧结的温度为1200℃～1400℃，烧结的时间为6～10h。

[0022] 有益效果：这样的工艺下能够得到晶粒分布均匀的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷烧结体。

[0023] 进一步，所述步骤2中过筛的筛目不小于400。

[0024] 有益效果：这样能够尽量减少粗颗粒引入使得烧结过程中产生气孔、空穴等缺陷。

[0025] 进一步，所述步骤4中采用APS、HVOF、EB‑PVD或者超音速电弧喷涂法进行涂层沉积处理。

[0026] 有益效果：上述几种涂层的制备工艺均为现有比较成熟的工艺，可根据具体的生产环境进行选择。

具体实施方式

[0027] 下面通过具体实施方式进一步详细说明：

[0028] 实施例1：

[0029] 一种成分连续变化的氧化铝增韧铌酸铝陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

[0030] 步骤1：按照Al2O3与Nb2O5的摩尔比为x＝2的配比称取纯度大于99.99％的Al2O3与Nb2O5粉末混合均匀得到粉体A，按照Al2O3与Nb2O5的摩尔比为x＝3的配比称取纯度大于
99.99％的Al2O3与Nb2O5粉末混合均匀得到粉体B，其中混合在共振混合机中进行，共振混合
机的参数设置为50Hz，220VAC，100W；混合时间为5h。

[0031] 将粉体A进行无压烧结得到烧结体A，将粉体B进行无压烧结得到烧结体B，其中烧结的温度为1200℃，烧结的时间为10h。

[0032] 步骤2：将步骤1得到的烧结体A和烧结体B分别进行粉碎并过400目筛子后分别得到陶瓷粉体A(1Al2O3+AlNbO4)以及陶瓷粉体B(2Al2O3+AlNbO4)。

[0033] 步骤3：将步骤2得到的陶瓷粉体A和陶瓷粉体B分别混合成n份混合陶瓷粉体，参照表1所示，陶瓷涂层的梯度层数n＝6，第1层指与基体材料直接接触的涂层，各梯度层的陶瓷
粉体A与陶瓷粉体B体积分数见下表1所示。

[0034] 步骤4：将步骤3得到的6份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料(铁、镁、铝、镍等基体合金)上得到成分连续变化的陶瓷涂层，陶瓷涂层的厚度为150μm。

[0035] 表1为实施例1陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体的体积分数表

[0036] 梯度层数n 陶瓷粉体A体积分数(％) 陶瓷粉体B体积分数(％)1 100 0
2 80 20
3 60 40
4 40 60
5 20 80
6 0 100

[0037] 实施例2：

[0038] 与实施例1的区别在于，参照表2所示，本实施例中陶瓷涂层的梯度层n＝11，陶瓷涂层的厚度为300μm，陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体A与陶瓷粉体B体积分数见下表2所
示。

[0039] 表2为实施例2陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体的体积分数表

[0040]梯度层数n 陶瓷粉体A体积分数(％) 陶瓷粉体B体积分数(％)
1 100 0
2 90 10
3 80 20
4 70 30
5 60 40
6 50 50
7 40 60
8 30 70
9 20 80
10 10 90
11 0 100

[0041] 实施例3：

[0042] 与实施例1的区别在于，参照表3所示，陶瓷涂层的梯度层数n＝21，陶瓷涂层的厚度为500μm，陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体A与陶瓷粉体B体积分数见下表3所示。

[0043] 表3为实施例3陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体的体积分数表

[0044] 梯度层数n 陶瓷粉体A体积分数(％) 陶瓷粉体B体积分数(％)1 100 0
2 95 5
3 90 10
4 85 15
5 80 20
6 75 25
7 70 30
8 65 35
9 60 40
10 55 45
11 50 50
12 45 55
13 40 60
14 35 65
15 30 70
16 25 75
17 20 80
18 15 85
19 10 90
20 5 95
21 0 100

[0045] 实施例4：

[0046] 实施例4与实施例1的区别在于，陶瓷涂层中包括陶瓷粉体A、陶瓷粉体B和陶瓷粉体C，其中陶瓷粉体C采用Al2O3与Nb2O5的摩尔比为x＝4制备而成，即陶瓷粉体C的化学式为
3Al2O3+AlNbO4，具体的体积分数见下表4所示。

[0047] 表4为实施例4陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷粉体的体积分数表

[0048] 梯度层数n 陶瓷粉体A体积分数(％) 陶瓷粉体B体积分数(％) 陶瓷粉体C体积分数(％)1 50 50 0
2 47.5 50 2.5
3 45 50 5
4 42.5 50 7.5
5 40 50 10
6 37.5 50 12.5
7 35 50 15
8 32.5 50 17.5
9 30 50 20
10 27.5 50 22.5
11 25 50 25
12 22.5 50 27.5
13 20 50 30
14 17.5 50 32.5
15 15 50 35
16 12.5 50 37.5
17 10 50 40
18 7.5 50 42.5
19 5 50 45
20 2.5 50 47.5
21 0 50 50

[0049] 对比例1：

[0050] 与实施例1的区别在于，步骤4中，在基体材料的表面沉积的陶瓷涂层只包括陶瓷粉体A，即陶瓷粉体A的体积分数为100％，陶瓷涂层的厚度为150μm。

[0051] 对比例2：

[0052] 与实施例1的区别在于，步骤4中，在基体材料的表面首先采用陶瓷粉体A进行沉积得到涂层A，再采用陶瓷粉体B在涂层A上进行沉积，陶瓷涂层的总厚度为150μm。

[0053] 选取实施例1～4、对比例1～2得到的材料试件进行热导率实验检测：

[0054] 采用激光热导仪进行测试，在700K温度时，测试结果如下表5所示：

[0055] 表5为实施例1～4与对比例1～2的热导率

[0056]

[0057] 从上表5可以得出：

[0058] 1、采用本申请中的技术方案得到的陶瓷涂层，其热导率未超过1.25W·m‑1·K‑1，满足热障涂层对低热导率的需求，而通过对比例可以看出，未进行成分设计的陶瓷涂层，其
热导率明显偏高。

[0059] 2、通过对采用不同摩尔比的Al2O3与Nb2O5得到的氧化铝增韧陶瓷粉体进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种粉体的体积分数是在连续变化，这样的方式能够保
证陶瓷涂层具备原本氧化铝增韧铌酸铝的高韧性，同时其热导率也大幅度的下降，原因在
于采用这样的方式进行沉积得到的陶瓷涂层，各梯度涂层之间成分呈渐变的形式，各梯度
涂层之间形成的界面少，使得界面效应弱，同时最重要的一点在于，在各梯度涂层沉积过程
中，每一层的成分还会不断的扩散，使得界面效应继续减弱，从而使得热导率下降，而本申
请中实施例4的热导率最低。

[0060] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出
若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果
和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体
实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。