一种成分连续的非化学计量比铌酸钆陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及一种成分连续的非化学计量比铌酸钆陶瓷涂层及其制备方法。
背景技术
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。
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-1k-1)；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。
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，铌酸钆陶瓷(Gd3NbO7)具有与稀土钽酸盐相近的热-力学性质，是一种潜在的热障涂层材料，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，基于这样的问题，有研究通过改变铌酸盐陶瓷中阳离子的摩尔比，以得到一种非化学计量比的铌酸钆来解决这样的问题，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铌酸钆陶瓷的热导率是本申请要解决的重点问题。
发明内容
本发明提供了一种成分连续的非化学计量比铌酸钆陶瓷涂层及其制备方法，以解决现有技术中通过改变铌酸盐陶瓷中阳离子的摩尔比，虽韧性得到提升，但热导率依旧偏高的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种成分连续的非化学计量比铌酸钆陶瓷涂层及其制备方法，包括多元梯度涂层，且包括两种以上不同化学计量比得到的铌酸钆陶瓷组份，多元梯度涂层中至少一种以上的陶瓷组份的体积分数连续递增或递减的变化。
本技术方案的技术原理和效果在于：
1、本方案中通过对两种以上不同化学计量比得到的铌酸钆陶瓷组份进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种陶瓷组份的体积分数是在连续的递增或连续的递减变化，这样的方式能够保证多元梯度涂层具备原本不同化学计量比下铌酸钆的高韧性，同时其热导率也大幅度的下降，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。
2、本方案中能够得到低热导率的多元梯度陶瓷涂层，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。
进一步，所述多元梯度涂层的厚度为150～500μm。
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。
进一步，所述多元梯度涂层的梯度层数n为6～21层。
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。
本申请公开了一种成分连续的非化学计量比铌酸钆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Gd2O3和Nb2O5粉末分别混合后分别进行无压烧结，得到多种烧结体；
步骤2：将步骤1得到的多种烧结体分别粉碎后过筛得到多种非化学计量比的铌酸钆陶瓷组份；
步骤3：将步骤2得到的多种陶瓷组份分别混合成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组份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的多元梯度的陶瓷涂层。
进一步，所述步骤1中2＜x＜4。
有益效果：通过实验发现，采用该范围内配比得到的铌酸钆陶瓷更适用于设计成分连续的涂层。
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。
有益效果：这样的工艺下能够得到烧结体晶粒分布均匀。
进一步，所述步骤2中过筛的筛目不小于400。
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。
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。
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。
附图说明
图1为本发明实施例1得到的陶瓷涂层其热导率随温度的变化曲线图；
图2为本发明实施例4得到的陶瓷涂层其热导率随温度的变化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1：
一种成分连续的非化学计量比铌酸钆陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：按照Gd2O3和Nb2O5粉末的摩尔比为x＝69:31的配比称取纯度大于99.99％的两种粉末混合均匀得到粉体A；按照Al2O3与Nb2O5的摩尔比为x＝71:29的配比称取纯度大于99.99％的两种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。
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1400℃，烧结的时间为6h。
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组份A(69Gd:31Nb)以及陶瓷组份B(71Gd:29Nb)。
步骤3：将步骤2得到的陶瓷组份A和陶瓷组份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，各梯度层的陶瓷组份A与陶瓷组份B体积分数见下表1所示。
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多元梯度陶瓷涂层，陶瓷涂层的厚度为150μm。
表1为实施例1陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷组份的体积分数表
实施例2：
与实施例1的区别在于，参照表2所示，梯度层数n＝11，陶瓷涂层的厚度为300μm，陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷组份A与陶瓷组份B的体积分数见下表2所示。
表2为实施例2陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷组份的体积分数表
实施例3：
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组份A与陶瓷组份B体积分数见下表3所示。
表3为实施例3陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷组份的体积分数表
实施例4：
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＝79:21制备而成，具体的体积分数见下表4所示。
表4为实施例4陶瓷涂层中各梯度层的陶瓷组份的体积分数表
对比例1：
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。
对比例2：
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。
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：
采用激光热导仪进行测试，在800K温度时，测试结果如下表5所示：
表5为实施例1～4与对比例1～2的热导率
从上表5可以得出：
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。
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。
以实施例1和实施例4的热导率检测结果为例，其中图1为实施例1陶瓷涂层的热导率随温度的变化曲线图；图2为实施例4陶瓷涂层的热导率随温度的变化曲线图。
可以观察到，采用本申请制备的陶瓷涂层，其热导率不仅不超过1.25W·m-1·K-1，同时实施例1的陶瓷涂层当温度增加至700K以上时，热导率呈下降趋势，而实施例4的陶瓷涂层当温度增加至500K左右时即出现减少，说明本申请得到的陶瓷涂层不仅满足热障涂层的使用，且呈现出温度越高越适宜其使用的现象。
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。
