一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，利用硝酸溶解金屬氧化物或去離子水溶解金屬離子硝酸鹽的方法制備氧化物陶瓷粉體所需的多種金屬離子硝酸鹽溶液；再按需要制備的鋯基氧化物陶瓷粉體的化學(xué)計量比將各金屬離子硝酸鹽溶液混合，并攪拌均勻；在上述混合溶液中加入燃燒劑尿素，并用氨水調(diào)整混合溶液的pH值；將所述混合溶液轉(zhuǎn)至蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)直至溶液成為膠狀物；繼續(xù)加熱所述膠狀物至發(fā)生低溫自燃燒，得到初次粉體；將初次粉體經(jīng)焙燒熱處理后，得到鋯基氧化物陶瓷粉體。該制備方法具有合成溫度低、產(chǎn)物比表面積高、平均晶粒粒徑小、成相溫度低和化學(xué)計量比準(zhǔn)確等優(yōu)點。
【專利說明】一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱障涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]熱障涂層又稱隔熱涂層，是指由隔熱性好的陶瓷層和金屬粘結(jié)層組成的金屬陶瓷復(fù)合涂層系統(tǒng)。在航空領(lǐng)域主要用來為高溫?zé)釟饬鳁l件下工作的渦輪發(fā)動機葉片、燃燒室、隔熱屏等熱端部件提供隔熱保護(hù)。此外熱障涂層還可以將基體與高溫燃?xì)飧綦x開來，使金屬或合金基體免受高溫氧化、燃?xì)飧g和沖蝕。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，厚度為250 μ m的熱障涂層可使葉片基體表面溫度降低111?167°C，這相當(dāng)于經(jīng)過30年的努力才能在提高高溫合金使用溫度的方面取得的進(jìn)展。與開發(fā)新的高溫合金相比，熱障涂層技術(shù)的研宄成本較低，工藝也現(xiàn)實可行，已成為渦輪發(fā)動機熱端部件高溫防護(hù)涂層技術(shù)的重要發(fā)展方向。
[0003]高性能陶瓷隔熱層材料的開發(fā)是高溫?zé)嵴贤繉影l(fā)展的核心問題之一，隔熱層多為多組元陶瓷材料，其性能與粉體的制備工藝密切相關(guān)，要想獲得性能良好的隔熱層材料，必須選擇合適的粉末制備工藝以得到純度高、計量比準(zhǔn)確、顆粒分布均勻的納米陶瓷粉體材料。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)中常用的熱障涂層用的陶瓷層粉體制備方法一般為固相法和共沉淀相法，其中固相法使用高溫?zé)Y(jié)，存在制備溫度高、燒結(jié)時間長、產(chǎn)物晶粒粒徑大、易引入雜質(zhì)和等缺點；液相法包括共沉淀法、溶膠凝膠法等，這些方法雖然可以在一定程度上降低粉體材料的成相溫度，制備出超細(xì)納米級氧化物陶瓷粉料，但這些方法存在條件控制復(fù)雜、產(chǎn)物化學(xué)計量比不準(zhǔn)確和易出現(xiàn)金屬離子偏析等缺點。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，該制備方法具有合成溫度低、產(chǎn)物比表面積高、平均晶粒粒徑小、成相溫度低和化學(xué)計量比準(zhǔn)確等優(yōu)點。
[0006]一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，所述制備方法包括:
[0007]利用硝酸溶解金屬氧化物或去離子水溶解金屬離子硝酸鹽的方法制備氧化物陶瓷粉體所需的多種金屬離子硝酸鹽溶液；
[0008]再按需要制備的鋯基氧化物陶瓷粉體的化學(xué)計量比將各金屬離子硝酸鹽溶液混合，并攪拌均勻；
[0009]在上述混合溶液中加入燃燒劑尿素，并用氨水調(diào)整混合溶液的pH值為3.5?
6.5 ；
[0010]將所述混合溶液轉(zhuǎn)至蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)直至溶液成為膠狀物；
[0011]繼續(xù)加熱所述膠狀物至發(fā)生低溫自燃燒，得到初次粉體；
[0012]將所述初次粉體經(jīng)焙燒熱處理后，得到鋯基氧化物陶瓷粉體。
[0013]所述混合溶液中尿素和金屬離子總量的摩爾比為1:1?5:1，且金屬硝酸鹽的濃度為20?60wt%。
[0014]在蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)的溫度為200-500°C。
[0015]所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的成相熱處理溫度為600?1200°C。
[0016]所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的平均粒徑小于60nm。
[0017]所述金屬離子硝酸鹽溶液中的金屬具體包括以下一種或多種:
[0018]Zr、Y、La、Ce、Gd、Nd、Sm、Dy、Eu、Pr、Sr、Ca0
[0019]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，該制備方法具有合成溫度低、產(chǎn)物比表面積高、平均晶粒粒徑小、成相溫度低和化學(xué)計量比準(zhǔn)確等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0021]圖1為本發(fā)明實施例所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法流程示意圖；
[0022]圖2為本發(fā)明所舉實例不同溫度下焙燒處理的YSZ納米粉體的X —射線衍射示意圖；
[0023]圖3為本發(fā)明所舉實例在1200°C焙燒2小時后的LZC粉體的X—射線衍射示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明所舉實例在900°C焙燒2小時后的Gd2O3-Yb2O3-YSZ納米粉體的X —射線衍射示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]本實施例所述制備方法采用金屬硝酸鹽作氧化劑、尿素作燃燒劑、氨水作助燃劑和去離子水作溶劑，采用低溫自燃燒法高效制備納米級鋯基氧化物陶瓷粉體，如圖1所示為本發(fā)明實施例所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法流程示意圖，所述制備方法具體包括:
[0027]步驟11:利用硝酸溶解金屬氧化物或去離子水溶解金屬離子硝酸鹽的方法制備氧化物陶瓷粉體所需的多種金屬離子硝酸鹽溶液；
[0028]在具體實現(xiàn)中，所述金屬離子硝酸鹽溶液中的金屬具體可以包括以下一種或多種:
[0029]Zr 鋯、Y 釔、La 鑭、Ce 鈰、Gd 釓、Nd 釹、Sm 釤、Dy 鏑、Eu 銪、Pr 鐠、Sr 鍶、Ca 鈣。
[0030]步驟12:再按需要制備的鋯基氧化物陶瓷粉體的化學(xué)計量比將各金屬離子硝酸鹽溶液混合，并攪拌均勻；
[0031]步驟13:在上述混合溶液中加入燃燒劑尿素，并用氨水調(diào)整混合溶液的pH值為
3.5 ~ 6.5 ；
[0032]在該步驟中，所述混合溶液中尿素和金屬離子總量的摩爾比為1:1?5:1，且金屬硝酸鹽的濃度為20?60wt%。
[0033]步驟14:將所述混合溶液轉(zhuǎn)至蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)直至溶液成為膠狀物；
[0034]在該步驟中，蒸發(fā)皿中加熱蒸發(fā)的溫度為200-500°C。
[0035]步驟15:繼續(xù)加熱所述膠狀物至發(fā)生低溫自燃燒，得到初次粉體；
[0036]步驟16:將所述初次粉體經(jīng)焙燒熱處理后，得到鋯基氧化物陶瓷粉體。
[0037]經(jīng)過上述步驟，所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的成相熱處理溫度為600?1200°C;且經(jīng)掃描電鏡(SEM)和高分辨率透射電鏡(HTEM)分析表明，合成產(chǎn)物顆粒均勻，所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的平均粒徑小于60nm。
[0038]下面結(jié)合具體實施對本發(fā)明制備方法做進(jìn)一步說明:
[0039]實例1、納米級熱障涂層材料Y203部分穩(wěn)定的Zr0.2 (YSZ)粉體制備
[0040]首先，配制Zr (NO3) 4和Y (NO 3) 3溶液，試劑采用純度大于99.5 %的Zr (NO 3) 4.6H20和 Y(NO3)3.6H20，實驗用水為去離子水。稱取 1500Zr (NO3)4.xH20 和 135g Y(NO3)3.xH20,加入到2L去離子水中；
[0041]然后將混合溶液轉(zhuǎn)入瓷圓皿中加熱，并充分?jǐn)嚢枋?1"(勵3)4*沾20和￥(勵3)3*沾20溶解，并用10wt%氨水將溶液的pH值調(diào)節(jié)為4。
[0042]稱取700g CO (NH2) 2，加入到Zr (NO3) 4和Y (NO 3) 3混合溶液中，然后將盛有混合溶液的瓷圓皿轉(zhuǎn)移至馬弗爐中，在350°C的加熱lh，混合溶液產(chǎn)生大量氣泡并發(fā)生膠化；
[0043]繼續(xù)加熱，膠狀物脫水并發(fā)生自燃燒，得到初次粉體。
[0044]再將該初次粉體在800°C焙燒2小時，即得到所需的YSZ納米粉體。
[0045]如圖2所示為不同溫度下焙燒處理的YSZ納米粉體的X —射線衍射示意圖，從圖2可以看出:在600°C?1000°C焙燒處理2h即可得到完整的四方相晶型結(jié)構(gòu)的YSZ粉末。通過謝樂公式估算，在600°C、800°C和1000°C焙燒后的YSZ粉末的平均晶粒粒徑分別為llnm、18nm 和 39nm。
[0046]實例2、納米級熱障涂層材料La2 (Zra7Cea3)2O7(LZC)粉體制備
[0047]首先，稱取211g La203、343g Zr (NO3)4.6H20、165g Ce (NO3)3.6H20。將 La2O3倒入燒杯中并加入1.5L去離子水和360g 65?68%的濃硝酸，待La2O3溶解后過濾，去除不溶物，然后加入 Ce (NO3) 3.6H20，配制 La (NO3) 3、Zr (NO3) 4和 Ce (NO 3) 4混合溶液;
[0048]將硝酸鹽混合溶液轉(zhuǎn)移至瓷圓皿中，用10wt%氨水將混合溶液的pH值調(diào)節(jié)為
4.3 ；
[0049]再加入500g CO(NH2)2，然后將瓷圓皿轉(zhuǎn)移至馬弗爐中，在400°C的加熱45分鐘，溶液中產(chǎn)生大量堆積氣泡，尿素水解使得溶液快速膠化；
[0050]繼續(xù)加熱，膠狀物脫水并緩慢燃燒，得到蓬松的初次粉體；
[0051]再將該初次粉體在1200°C焙燒2小時，即得到所需LZC納米粉體。
[0052]如圖3所示為在1200°C焙燒2小時后的LZC粉體的X —射線衍射示意圖，從圖3可以看出:LZC為單一的燒綠石結(jié)構(gòu)，晶型較為完整，并無雜相產(chǎn)生，平均粒徑為33nm。從圖3可以看出，LZC粉體為多孔泡沫狀結(jié)構(gòu)。
[0053]實例3、納米級熱障涂層材料Gd2O3-Yb2O3-YSZ粉體制備
[0054]首先，稱取860g Zr(NO3)4.6H20、55g Y(NO3)3.6H20、26g Gd(NO3)3.6H20 和25gY (NO3)3.6H20，加入到 2.0L 去離子水中并充分?jǐn)嚢?，配?Zr (NO3) 4、Y(NO3)3' Gd (NO3) 3、Yb (NO3) 3混合溶液；其中，Zr (NO 3) 4.6H20、Y (NO3) 3.6H20、Gd (NO3) 3.6H20 和 Yb (NO3) 3.6H20的純度大于99.5%，實驗用水為去離子水；
[0055]然后將硝酸鹽混合溶液轉(zhuǎn)移至瓷圓皿中，用10wt%氨水將混合溶液的pH值調(diào)節(jié)為 4.5 ;
[0056]再加入600g CO(NH2)2，然后將瓷圓皿轉(zhuǎn)移至馬弗爐中，在380°C的加熱45分鐘，溶液中產(chǎn)生大量堆積氣泡，尿素水解使得溶液快速膠化；
[0057]繼續(xù)加熱，膠狀物脫水并緩慢燃燒，得到蓬松的初次粉體；
[0058]再將該初次粉體在900°C焙燒2小時，即得到所需Gd2O3-Yb2O3-YSZ納米粉體。
[0059]如圖4所示為在900°C焙燒2小時后的Gd2O3-Yb2O3-YSZ納米粉體的X —射線衍射示意圖，從圖4可以看出:該納米粉體為單一的四方相結(jié)構(gòu)，晶型較為完整，并無雜相產(chǎn)生，平均粒徑為13nm。
[0060]綜上所述，本發(fā)明實施例所提供的制備方法即避免了固相反應(yīng)制備的粉體燒結(jié)活性差、混合不均勻、易引入雜質(zhì)的缺點，又避免了濕化學(xué)法中產(chǎn)物化學(xué)計量比控制困難的問題；具有合成溫度低、產(chǎn)物比表面積高、平均晶粒粒徑小、成相溫度低和化學(xué)計量比準(zhǔn)確等優(yōu)點。
[0061]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括: 利用硝酸溶解金屬氧化物或去離子水溶解金屬離子硝酸鹽的方法制備氧化物陶瓷粉體所需的多種金屬離子硝酸鹽溶液； 再按需要制備的鋯基氧化物陶瓷粉體的化學(xué)計量比將各金屬離子硝酸鹽溶液混合，并攪拌均勻； 在上述混合溶液中加入燃燒劑尿素，并用氨水調(diào)整混合溶液的pH值為3.5?6.5 ; 將所述混合溶液轉(zhuǎn)至蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)直至溶液成為膠狀物； 繼續(xù)加熱所述膠狀物至發(fā)生低溫自燃燒，得到初次粉體； 將所述初次粉體經(jīng)焙燒熱處理后，得到鋯基氧化物陶瓷粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于， 所述混合溶液中尿素和金屬離子總量的摩爾比為1:1?5:1，且金屬硝酸鹽的濃度為20 ?60wt%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于， 在蒸發(fā)皿中，加熱蒸發(fā)的溫度為200-500°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于， 所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的成相熱處理溫度為600?1200°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于， 所制得的鋯基氧化物陶瓷粉體的平均粒徑小于60nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于熱障涂層的鋯基氧化物陶瓷粉體的制備方法，其特征在于，所述金屬離子硝酸鹽溶液中的金屬具體包括以下一種或多種: Zr鋯、Y釔、La鑭、Ce鈰、Gd釓、Nd釹、Sm釤、Dy鏑、Eu銪、Pr鐠、Sr鍶、Ca鈣。
【文檔編號】C01G25/02GK104445394SQ201410637867
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】于月光, 沈婕, 張鑫, 梁明德, 吳瓊, 彭浩然, 張淑婷 申請人:北京礦冶研究總院