CN1546719A - 一种新型热障涂层材料 - Google Patents
一种新型热障涂层材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1546719A CN1546719A CNA2003101159341A CN200310115934A CN1546719A CN 1546719 A CN1546719 A CN 1546719A CN A2003101159341 A CNA2003101159341 A CN A2003101159341A CN 200310115934 A CN200310115934 A CN 200310115934A CN 1546719 A CN1546719 A CN 1546719A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat barrier
- deposition techniques
- powdered sample
- coating
- barrier coat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Coating By Spraying Or Casting (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
Abstract
本发明涉及一类用作高温热障涂层材料的陶瓷材料及其应用。陶瓷材料具有下述化学组成A2(ZrxCe(1-x))2O7,O<=X<=0.9,A为Nd,Sm,Eu,Gd,Tb中一种或两种以上的组合。该陶瓷材料具有高热膨胀系数,在高温区900-1400℃其热膨胀系数达到了12-15×10-6K-1,优于目前普遍应用的热障涂层材料,退火处理到1400℃,依然保持相稳定状态。此材料可以设计成为热障涂层材料,适用温度区间室温至1400℃。
Description
技术领域
本发明属于高温热障涂层技术及相关涂层材料。
背景技术
随着航空、航天及民用技术的发展,涡轮发动机热端部件的使用温度要求愈来愈高,高温合金及单晶已达到了材料的极限状态。在这种情况下,从材料的角度考虑,另一种降低发动机叶片工作温度的可行技术----热障涂层技术得到了广泛的应用。
NASA的对比研究表明,ZrO2的综合性能较为优越。在1000℃时,ZrO2的热膨胀系数为11×10-6K-1,最接近基体合金的热膨胀系数,而导热系数仅为2.1-2.2WM-1k-1。但纯ZrO2在通常使用温度范围内,会发生四方相(t)向单斜相(m)的马氏体相变,为了使涂层适应高温下的热循环工作环境并提高涂层的寿命,通常在ZrO2中添加少量稳定剂来控制、减少这类相变的发生。美国专利5,789,330(Kondo,et al)中报道了在ZrO2中掺杂0.1wt%-40wt%各种相稳定剂如Y2O3,CaO,MgO,Sc2O3,稀土氧化物等后得到的热障涂层材料。材料烧结后体系中单斜相占25-75%,涂层材料的长期使用最大表面耐热温度在1200℃左右,随着温度的进一步提高,涂层出现严重的结构不稳定。美国专利6,231,991中报道了一种具有烧绿石结构的材料,特别是La2Zr2O7(Lanthnum Zirconate)作为热障涂层材料,它独特的性质如较低的热导率,在退火处理到1400℃,依然保持相稳定状态。但La2Zr2O7热膨胀系数较YSZ小,同基体合金的热膨胀系数相差更大,因高温热膨胀不匹配所导致的涂层内应力将更加严重,涂层循环寿命短。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型热障涂层材料。
本发明的另一目的是提供一种热障涂层材料的应用。
热障涂层的基本设计思想就是利用陶瓷的高耐热性、抗腐蚀性和低导热性,实现对基体的保护。因此,热障涂层陶瓷表面层材料的选择需要遵循一定的原则:1、高熔点 2、室温和操作温度间无相变 3、低热传导率 4、化学反应惰性 5、较高的热膨胀率 6、良好的抗热冲击性能 7、较低的烧结率。
在绝缘体如陶瓷中,材料的热传导系数通常取决于晶格震动。当材料中的原子被较重或较大的原子组成,其热传导系数会相应降低。原子质量差别越大,热传导系数降低越大。Ce原子的原子质量和半径都远较Zr大,所以,当Ce取代Zr的时候,材料的热传导系数会相应的降低。另外,CeO2为一种萤石结构氧化物,且其热传导系数较8YSZ小,而热膨胀系数却较8YSZ大。因此本发明预计当A2Zr2O7中Zr为Ce取代后,A为Nd,Sm,Eu,Gd,Tb中一种或两种以上的组合,所得到的新材料的热膨胀系数将增大,而热传导系数为减小。
本发明陶瓷材料具有下述化学组成A2(ZrxCe(1-x))2O7,0<=X<=0.9,A为Nd,Sm,Eu,Gd,Tb中一种或两种以上的组合。
热障涂层材料的应用如下:首先,获得金属基底,金属基底为涡轮发动机中由镍基或钴基高温合金组成的部件;然后在金属基底表面或某一部位沉积一层金属粘结层,金属粘结层为MCrAlY合金,其中M为Ni、Co或Fe中一种或两种以上组合,Y为Y、La或Hf中一种;最后,在粘结层表面沉积陶瓷面层,陶瓷面层化学组成为A2(ZrxCe(1-x))2O7,0<=X<=0.9,A为Nd,Sm,Eu,Gd,Tb中一种或两种以上组合。
本发明中热障涂层材料具有高热膨胀系数,其热膨胀系数达到了10-15×10-6K-1,优于目前普遍应用的热障涂层材料,在1400℃下长期退火处理后依然保持相稳定状态。利用这些特性,此材料可以设计成为热障涂层材料,适用温度区间室温至1400℃。本发明中热障涂层材料可以通过如下途径沉积:等离子喷度、电子束物理气相沉积、HVOF、D-gun技术等。
图1给出了Ce完全取代Nd2Zr2O7中Zr后得到的新材料Nd2Ce2O7的XRD谱图,图中显示Nd2Ce2O7具有扭曲的萤石结构,其中1/8的0位被空穴所占据。
图2给出了Nd2Ce2O7在室温至1400℃下的热膨胀系数,图中显示该陶瓷材料具有高的热膨胀系数,在高温区900-1400℃其热膨胀系数达到了12-15×10-6K-1,优于目前普遍应用的热障涂层材料。
图3给出Nd2Ce2O7在1400℃下长期退火处理后得到的XRD谱图,从图中可以看出各个样品经退火处理后依然保持一致的XRD谱图,这表明长期退火处理中没有相变发生。
本发明所得热障涂层材料热膨胀系数较大,同发动机热端部件基体高温合金最为接近,从而以此材料所沉积所得涂层内部热引力很小,热循环寿命长;市场易得;涂层制备方法简单,设备易得。
具体实施方式
实施例1:制备粉末样品Nd2Ce2O7(Nd2O3+2CeO2),得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约220μm厚NiCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Nd2Ce2O7陶瓷面层,最终所得热障涂层***如图4所示。
实施例2:制备粉末样品Nd2(Zr0.9Ce0.1)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚CoCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例3:制备粉末样品Nd2(Zr0.5Ce0.5)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。钴基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚FeCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例4:制备粉末样品Sm2Ce2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约225μm厚NiCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Nd2Ce2O7陶瓷面层。
实施例5:制备粉末样品Sm2(Zr0.9Ce0.1)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚FeCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Sm2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例6:制备粉末样品Sm2(Zr0.5Ce0.5)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。钴基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚CoCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Nd2z(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例7:制备粉末样品Eu2Ce2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约220μm厚NiCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约350μm的Eu2Ce2O7陶瓷面层。
实施例8:制备粉末样品Eu2(Zr0.9Ce0.1)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚FeCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Eu2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例9:制备粉末样品Eu2(Zr0.5Ce0.5)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。钴基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚CoCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Eu2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面层。
实施例10:制备粉末样品Gd2Ce2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约220μm厚NiCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Gd2Ce2O7陶瓷面层。
实施例11:制备粉末样品Gd2(Zr0.9Ce0.1)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚FeCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Gd2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例12:制备粉末样品Gd2(Zr0.5Ce0.5)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。钴基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚CoCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Gd2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面层。
实施例13:制备粉末样品Tb2Ce2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约220μm厚NiCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Tb2Ce2O7陶瓷面层。
实施例14:制备粉末样品Tb2(Zr0.9Ce0.1)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约250μm厚FeCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约300μm的Tb2(Zr0.9Ce0.1)2O7陶瓷面层。
实施例1 5:制备粉末样品Tb2(Zr0.5Ce0.5)2O7,得到粉末样品经喷雾干燥处理制成高流动性粉末。钴基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约200μm厚CoCrAlY金属粘结层,然后在粘结层表面应用等离子喷度技术沉积一层厚约250μm的Tb2(Zr0.5Ce0.5)2O7陶瓷面层。
Claims (4)
1、一种热障涂层材料,化学组成为A2(ZrxCe(1-x))2O7,0<=X<=0.9,A为Nd,Sm,Eu,Gd,Tb中的一种或两种以上的组合。
2、如权利要求1所述的热障涂层材料的应用,采用电子束物理气相沉积或等离子喷涂技术,其特征在于涂层使用温度区间为室温至1400℃。
3、如权利要求2所述的热障涂层材料的应用,其特征在于,金属基底为由镍基或钴基高温合金组成的部件。
4、如权利要求2所述的热障涂层材料的应用,其特征在于,金属粘结层为MCrAlY合金,其中M为Ni、Co或Fe中的一种或两种以上的组合,Y为Y、La或Hf中的一种。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2003101159341A CN1329551C (zh) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 一种热障涂层材料及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CNB2003101159341A CN1329551C (zh) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 一种热障涂层材料及其应用 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN1546719A true CN1546719A (zh) | 2004-11-17 |
CN1329551C CN1329551C (zh) | 2007-08-01 |
Family
ID=34337453
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CNB2003101159341A Expired - Fee Related CN1329551C (zh) | 2003-12-16 | 2003-12-16 | 一种热障涂层材料及其应用 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN1329551C (zh) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101522949B (zh) * | 2006-10-02 | 2011-12-21 | 西门子公司 | 烧绿石材料和具有这些烧绿石材料的热障涂层 |
CN103304236A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-18 | 渤海大学 | 一种烧绿石结构三相纳米热障涂层材料及制备方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1034132C (zh) * | 1994-10-29 | 1997-02-26 | 华南理工大学 | 一种提高热障碍陶瓷涂层性能的方法 |
US6258467B1 (en) * | 2000-08-17 | 2001-07-10 | Siemens Westinghouse Power Corporation | Thermal barrier coating having high phase stability |
-
2003
- 2003-12-16 CN CNB2003101159341A patent/CN1329551C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101522949B (zh) * | 2006-10-02 | 2011-12-21 | 西门子公司 | 烧绿石材料和具有这些烧绿石材料的热障涂层 |
CN103304236A (zh) * | 2013-06-09 | 2013-09-18 | 渤海大学 | 一种烧绿石结构三相纳米热障涂层材料及制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1329551C (zh) | 2007-08-01 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN1613920A (zh) | 一种热障涂层材料 | |
JP7436461B2 (ja) | 遮熱コーティング(tbc)トップコート用高エントロピー酸化物 | |
EP1375701B1 (en) | Thermal barrier coating material | |
EP3074619B1 (en) | Method of providing a self-healing coating | |
US10851667B2 (en) | Process for producing a thermal barrier in a multilayer system for protecting a metal part and part equipped with such a protective system | |
US6440575B1 (en) | Ceramic thermal barrier layer for gas turbine engine component | |
CN101291806B (zh) | 具有低热导率的耐久性热屏蔽涂料 | |
EP1400611A1 (en) | Thermal barrier coating material comprising rare earth oxides | |
US8420238B2 (en) | Use of a tungsten bronze structured material and turbine component with a thermal barrier coating | |
EP1367148A1 (en) | Abradable thermal barrier layer and process for producing the same | |
US6730413B2 (en) | Thermal barrier coating | |
US20050026770A1 (en) | Low conductivity and sintering-resistant thermal barrier coatings | |
EP2767525B1 (en) | Ceramic powders and methods therefor | |
EP2778250A2 (en) | Coating systems and methods therefor | |
US20030215665A1 (en) | Thermal barrier coating material | |
CN101948995A (zh) | 一种陶瓷复合热障涂层材料 | |
US20080113211A1 (en) | Ceramic coating material | |
Di Girolamo et al. | Microstructure and thermal properties of plasma-sprayed ceramic thermal barrier coatings | |
CN1329551C (zh) | 一种热障涂层材料及其应用 | |
Vassen et al. | Conventional and new materials for thermal barrier coatings | |
GB2516123A (en) | Part comprising a coating over a metal substrate made of a superalloy, said coating including a metal sublayer | |
EP1729959A2 (en) | Durable thermal barrier coating having low thermal conductivity | |
Kaysser et al. | Processing, characterisation and testing of EB-PVD Thermal Barrier Coatings | |
Pasupuleti et al. | Thermal fatigue characteristics of 8Y2O3-ZrO2, La2Zr2O7, La2 (Zr0. 7Ce0. 3) 2O7 and La2Ce2O7 thermal barrier coatings in duplex, multilayer functionally graded and multilayer configurations | |
Yu et al. | Research Status of High Entropy Thermal Barrier Coatings: A Review |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
C17 | Cessation of patent right | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20070801 Termination date: 20100118 |