專利名稱：納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化鋁陶瓷涂層及其制備技術(shù)，尤其涉及一種具有納米晶粒結(jié)構(gòu)的氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層和制備方法。
背景技術(shù)：
熱噴涂氧化鋁涂層具有優(yōu)良的機(jī)械和電學(xué)性能，用作抗磨損、耐腐蝕和高溫隔熱涂層，在機(jī)械、化工、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用納米結(jié)構(gòu)來改善涂層性能已成為氧化鋁陶瓷涂層研究的方向，用熱噴涂技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)氧化鋁涂層與傳統(tǒng)涂層相比，在強(qiáng)度、韌性、抗腐蝕、耐磨、抗熱疲勞等方面均有顯著提高。自上世紀(jì)90年代以來，熱噴涂納米氧化鋁涂層已經(jīng)取得了快速發(fā)展。但是，納米氧化鋁涂層在涂層結(jié)構(gòu)以及性能方面仍存在著一些問題(1)納米顆粒的燒結(jié)長大問題。納米粒子比表面積大，表面活性高，致使熔點(diǎn)下降，噴涂過程中容易燒結(jié)長大而改變性狀，最終影響到涂層中納米晶結(jié)構(gòu)的保持， 所以熱噴涂制備的納米氧化鋁涂層通常只是具有部分的納米結(jié)構(gòu)；(2)涂層質(zhì)量問題。在等離子噴涂中，由于火炬存在很寬的溫度梯度分布，原料顆粒在火炬中的熔化狀態(tài)、溫度分布、冷卻速度等不可能完全相同，很難保證所有的原料都能處在優(yōu)化的工藝條件下，因而很難得到結(jié)構(gòu)均勻、致密的涂層。同時(shí)，作為噴涂原料的團(tuán)聚顆粒往往致密度較差，內(nèi)部的氣孔會在涂層中殘留下來，導(dǎo)致涂層內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的不均勻，以及致密度差，最終影響涂層的性能。通常，等離子噴涂的陶瓷涂層的氣孔率都在3-5%，甚至更高。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種具有納米晶粒結(jié)構(gòu)的氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，從而進(jìn)一步提高涂層的韌性、強(qiáng)度和耐磨損等機(jī)械性能。
本發(fā)明的目的通過以下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層，由熱噴涂方法制備得到，其噴涂物料組分中包括有氧化鋁粉末，其特征在于，所述噴涂物料是由氧化鋁、氧化鋯和稀土氧化物混合融化經(jīng)急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中，氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物 10-60wt%;所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。
本發(fā)明的氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，包括用熱噴涂法將物料噴涂到基體上，其特征在于，制備過程是(1)配制混合細(xì)粉料稱取組分氧化鋁、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進(jìn)行濕法球磨IO-M小時(shí)，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的混合粉末；所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，氧化鋯的重量占總重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占總重量的10-60 wt%;所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；(2)制備玻璃顆粒將混合細(xì)粉料通過等離子噴槍或氧乙炔噴槍熔融后直接噴射到常溫凈水中，例如蒸餾水或去離子水等；然后再烘干過篩，得到熔化充分、結(jié)構(gòu)均勻致密的粒度為20-100 μ m的氧化鋁基玻璃顆粒；(3)熱噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基玻璃顆粒噴涂到基體上，形成具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度在50ym-2mm。
本發(fā)明先制備出熔化充分、結(jié)構(gòu)均勻致密的氧化鋁基玻璃顆粒，然后將其作為噴涂原料通過熱噴涂方法形成涂層，玻璃顆粒在重融冷卻過程中產(chǎn)生結(jié)晶析出納米晶粒。由于形成的晶粒是從玻璃基質(zhì)中直接析出的，晶粒細(xì)小，因此整個(gè)涂層完全是分布均勻的納米結(jié)構(gòu)，而且采用玻璃前驅(qū)體納米化得到的納米晶粒之間的晶界干凈，能顯著降低材料本征內(nèi)應(yīng)力，納米晶粒還有阻止材料微裂紋擴(kuò)展的作用，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使得涂層具有優(yōu)良的機(jī)械性能。相比現(xiàn)有的熱噴涂氧化鋁涂層，它還消除了由于團(tuán)聚料的結(jié)構(gòu)疏松所帶來的氣孔，同時(shí)，由于玻璃質(zhì)熔點(diǎn)相對較低，其在熔融時(shí)有粘滯流動作用，這十分有利于形成更加致密的涂層。經(jīng)檢測，本發(fā)明涂層氣孔率達(dá)到m以下。
本發(fā)明涂層中的玻璃顆粒結(jié)構(gòu)，具有高熔點(diǎn)、低粘度以及易結(jié)晶的特點(diǎn)，這是所述涂層具有良好機(jī)械性能的主要原因。但是單獨(dú)的氧化鋁很難形成玻璃顆粒結(jié)構(gòu)，因?yàn)樾纬刹Ａьw粒所需的冷卻速率高達(dá)IO7 K/s，現(xiàn)有技術(shù)中還無法通過傳統(tǒng)的熔融-冷卻的方法來得到氧化鋁玻璃塊體。本發(fā)明通過加入氧化鋯和稀土氧化物，由于氧化鋯能和氧化鋁、稀土氧化物形成三相低共熔點(diǎn)，特別是加入一定量的氧化鋯成份后，降低了形成玻璃顆粒所需的冷卻速率，更容易形成形成共融點(diǎn)體系，使得涂層中的納米晶粒分布更為均勻致密。試驗(yàn)表明，加入氧化鋯成份后，其形成玻璃顆粒所需的冷卻速率由原來的IO7 K/s，降低至IO3 K/ S。而且，雖然在氧化鋁基中僅加入稀土氧化物也能形成玻璃顆粒結(jié)構(gòu)，但從效果來看，加入氧化鋯的三組份涂層的機(jī)械性能，明顯優(yōu)于二組份的涂層。
下面通過實(shí)施例作進(jìn)一步描述。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1 制備納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層(1)配制混合細(xì)粉料秤取50克氧化鋁、氧化鋯和氧化鑭混合粉料(重量百分配比是氧化鋁38. 6wt%,氧化鑭42. 4wt%和氧化鋯19wt%)，加入75毫升酒精和200克氧化鋁磨球，濕法球磨混合M小時(shí)，然后100°C下烘干，過100目篩得到混合細(xì)粉料；(2)制備玻璃顆粒將前述混合細(xì)粉料通過大氣等離子噴槍進(jìn)行熔融，其參數(shù)為氬氣45 L/Min、氫氣15 L/Min、電壓85V、電流740A，熔融后的粉末直接噴射到蒸餾水中進(jìn)行急速冷卻，噴槍與水之間的噴涂距離為600 mm，粉末100°C烘干后過篩，粒度在20-100 μ m 的粉末用于涂層噴涂；(3)噴涂陶瓷涂層使用304不銹鋼作為基體材料進(jìn)行涂層噴涂，噴涂前先對基體進(jìn)行噴砂處理，去除表面污染物并使表面粗糙化。噴涂使用大氣等離子噴涂設(shè)備，把步驟(2)所得的玻璃顆粒均勻噴涂到基體上，噴涂參數(shù)為氬氣40 L/Min、氫氣10 L/Min、電壓68V、電流650A，形成厚度為100-200 μ m的涂層。另外還同時(shí)噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作比較用。
用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實(shí)施例獲得的涂層進(jìn)行測試，結(jié)果顯示通過等離子噴槍球化后得到的粉末為流動性好的球形顆粒，相結(jié)構(gòu)分析顯示為玻璃結(jié)構(gòu)，涂層具有納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密。
實(shí)施例2 制備納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層(1)配制混合細(xì)粉料氧化鋁-氧化鋯-氧化釔復(fù)合材料作為原料，(重量百分配比是氧化鋁55. 8wt%,氧化釔28. 6wt%和氧化鋯15. 6wt%),并按照實(shí)施例1所述方法，進(jìn)行球磨混合制粉得到混合細(xì)粉料；(2)制備玻璃顆粒將上述混合細(xì)粉料通過氧-乙炔火焰噴槍進(jìn)行熔融，其參數(shù)為氧氣12 L/Min、乙炔25 L/Min，熔融后的粉末直接噴射到蒸餾水中進(jìn)行急速冷卻，噴槍與水之間的噴涂距離為600 mm，粉末100°C烘干后過篩，得到粒度在20-100 μ m的玻璃顆粒；(3)噴涂陶瓷涂層按照實(shí)施例1所述方法，將步驟(2)所得玻璃顆粒噴涂到基體上形成1000-1100 μ m的涂層，另外還同時(shí)噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作比較用。
用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實(shí)施例獲得的涂層進(jìn)行測試，結(jié)果顯示通過氧-乙炔火焰噴槍球化后得到的粉末為流動性好的球形顆粒，相結(jié)構(gòu)分析顯示為玻璃結(jié)構(gòu)，整個(gè)涂層具有納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密。
實(shí)施例3 制備納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層(1)配制混合細(xì)粉料氧化鋁-氧化鋯-氧化釔復(fù)合材料作為原料，(重量百分配比是氧化鋁55. 8wt%,氧化釔28. 6wt%和氧化鋯15. 6wt%),并按照實(shí)施例1所述方法，進(jìn)行球磨混合制粉得到混合細(xì)粉料；；(2)制備玻璃顆粒按照實(shí)施例1所述方法，將步驟(1)所得粉末制成玻璃顆粒；(3)噴涂陶瓷涂層使用304不銹鋼作為基體材料進(jìn)行涂層噴涂，噴涂前對基體進(jìn)行噴砂處理。噴涂使用超音速火焰噴涂(HVOF)設(shè)備，把步驟(2)所得的玻璃顆粒均勻噴涂到基體上，噴涂參數(shù)為氧氣MO L/Min、丙烷72 L/Min、壓縮空氣400 L/Min，形成的涂層厚度1800-1900 μ m。另外還同時(shí)噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作比較用。
用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實(shí)施例獲得的涂層進(jìn)行測試，結(jié)果顯示用超音速火焰噴涂方法制備的涂層具有納米結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)致密。
為了比較，下面給出兩個(gè)對照例 對照例1 使用目前廣泛應(yīng)用的商用氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)粉末(美科公司生產(chǎn)，Metco 204) 作為噴涂物料，按照實(shí)施例1步驟(3)所述方法進(jìn)行熱噴涂，得到200 μ m左右的涂層。
對照例2:(1)采用含氧化鋁-氧化釔復(fù)合材料作為混合細(xì)粉料，兩者的重量百分配比是67:33， 并按照實(shí)施例1所述方法，進(jìn)行球磨制粉；(2)按照實(shí)施例1步驟(2)將上述粉料制成玻璃顆粒；(3)按照實(shí)施例1步驟(3)將上述玻璃顆粒噴涂到基體上形成200μ m左右的涂層。
對實(shí)施例1、2、3厚度為200 μ m左右的涂層和對照例1、2的涂層分別進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，所用的儀器是摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(型號S35ME)，測試條件為常溫干摩擦下，配副為不銹鋼球。涂層結(jié)合強(qiáng)度按照ASTM C-633-79方法測定。得到的數(shù)據(jù)記錄在表1 表權(quán)利要求
1.一種納米氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層，由熱噴涂方法制備得到，其噴涂物料組分中包括有氧化鋁粉末，其特征在于，所述噴涂物料是由氧化鋁、氧化鋯和稀土氧化物混合融化經(jīng)急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中，氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物10_60wt% ；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化鋁復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，包括用熱噴涂法將物料噴涂到基體上，其特征在于，制備過程是(1)配制混合細(xì)粉料稱取組分氧化鋁、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進(jìn)行濕法球磨IO-M小時(shí)，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的混合粉末；所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，氧化鋯的重量占總重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占總重量的10-60 wt%;所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；(2)制備玻璃顆粒將混合細(xì)粉料通過等離子噴槍或氧乙炔噴槍熔融后直接噴射到常溫凈水中；然后再烘干過篩，得到熔化充分、結(jié)構(gòu)均勻致密的粒度為20-100μπι的氧化鋁基玻璃顆粒；(3)熱噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基玻璃顆粒噴涂到基體上，形成具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度在50ym-2mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及氧化鋁陶瓷涂層及其制備技術(shù)。涂層由熱噴涂方法制備得到，噴涂物料是由氧化鋁、氧化鋯和稀土氧化物混合融化經(jīng)急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中氧化鋁20-75wt%，氧化鋯10-40wt%，稀土氧化物10-60wt%；稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。制備方法是(1)配制混合細(xì)粉料(2)將混合細(xì)粉料通過等熱噴槍熔融后直接噴射到常溫凈水中，再烘干過篩得到氧化鋁基玻璃顆粒；(3)熱噴涂陶瓷涂層。本發(fā)明以氧化鋁基玻璃顆粒作為噴涂原料通過熱噴涂方法形成涂層，整個(gè)涂層是分布均勻的納米結(jié)構(gòu)，氣孔率在2%以下，具有優(yōu)良的機(jī)械性能。
文檔編號C03C10/00GK102491639SQ20111039267
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者汪灝, 程敬卿 申請人:安徽禹恒材料技術(shù)有限公司