一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，步驟為：化學鍍法制備納米YSZNi核殼粒子；Ni基合金表面進行打磨,用丙酮和酒精超聲波清洗干凈備用；將納米YSZNi核殼粒子粉末與粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻；在上述混合粉中加入定量2wt% PVA-124水溶膠體作為粘結(jié)劑充分攪拌；將處理好的粉末均勻涂覆在處理好的Ni基合金表面烘干；預置層激光熔覆處理。本發(fā)明的技術(shù)效果是：摸索出一種采用YSZNi核殼結(jié)構(gòu)改善納米YSZ粒子的分散性、防止其在激光熔覆過程中的燒損，并且殼層金屬Ni還可以與基體形成金屬鍵，增強了納米YSZ與過渡層的結(jié)合力，從而促進了納米陶瓷涂層與基體的結(jié)合力的方法。
【專利說明】一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件表面的快速保護和修復等問題的納米陶瓷涂層用材料的制備方法，具體涉及一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法。

【背景技術(shù)】
[0002]Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO 2 (簡稱為YSZ)由于具有優(yōu)良的性能而成為目前廣泛使用在渦輪發(fā)動機葉片等關(guān)鍵零部件上的熱障涂層材料。使用一段時間后，由于氧化、磨損等過早地發(fā)生失效破壞而縮短其使用壽命，致使葉片等關(guān)鍵零部件不能正常工作。如何保護和快速修復發(fā)動機的關(guān)鍵零部件是亟待解決的主要問題。
[0003]激光熔覆快速制備耐磨耐蝕的納米陶瓷涂層是解決這一問題的有效途徑。激光熔覆是一種新的無接觸、無污染、高效靈活的先進表面改性技術(shù)，它利用高能密度的激光束在基體表面熔覆粉末，形成與基體冶金結(jié)合的熔覆層。與傳統(tǒng)表面技術(shù)相比，它具有以下優(yōu)點:界面為冶金結(jié)合；組織極細；選材廣泛；厚度可控；易實現(xiàn)選區(qū)熔覆和自動化生產(chǎn)，且生產(chǎn)周期短等。據(jù)報道，英國Roll-Royce公司曾對貴重葉片連鎖肩進行激光熔覆修復，不僅解決了工件開裂問題，且單件加工時間由原來的14分鐘降到75秒，獲得了重大經(jīng)濟效益。然而，目前激光熔覆納米陶瓷涂層在此領(lǐng)域的應(yīng)用遠未達到預期目標，宄其原因是多方面的，其中裂紋、團聚和燒損等關(guān)鍵問題尤為突出。
[0004]針對陶瓷涂層在激光熔覆過程中的開裂和剝落等問題，國內(nèi)外研宄者嘗試了多種方法，其中包括，采用多層涂覆，或在涂層與基體間引入過渡層；梯度涂層法；采用優(yōu)化工藝參數(shù)，預熱及后處理等技術(shù)手段；通過添加稀土氧化物，采用部分納米粉末；也有通過原位合成法，克服了傳統(tǒng)加入方法中陶瓷相與基體潤濕性差的弱點，避免了陶瓷相在增強的同時又成為裂紋產(chǎn)生的根源。但目前也只是原位合成碳化物和硼化物陶瓷，主要集中在提高表面耐磨性等方面，其高溫抗氧化性如何還是未知數(shù)。納米氧化物陶瓷不僅具有較高的硬度，還具有優(yōu)良的隔熱、抗氧化性能。
[0005]有學者曾就純納米SiC和Al2O3粉末進行激光熔覆試驗，研宄發(fā)現(xiàn)納米粉末由于表面與界面效應(yīng)，使得其較微米、亞微米粉末更易團聚，導致納米粒子的優(yōu)異特性幾乎完全喪失，實際效果較差。另外，激光熔覆過程中還存在納米粉末易氣化、飛濺等問題。這些因素的綜合作用使得激光熔覆純納米粉末所制備的納米結(jié)構(gòu)涂層還達不到預期的效果。因此，保證納米陶瓷在激光熔覆中不被大部分燒損和團聚是提高納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的組織和性能的關(guān)鍵，對促進其實際應(yīng)用具有重要意義。
[0006]而近幾年來，由“核@殼”型復合粒子衍生出了多種先進材料，其良好的綜合特性引起了人們的極大關(guān)注，為此，本發(fā)明采用YSZONi納米核殼結(jié)構(gòu)改善納米YSZ粒子的分散性，防止其在激光熔覆過程的燒損。迄今為止，國內(nèi)外還沒有關(guān)于對納米核殼粒子粉末進行激光熔覆得到表面涂層的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，應(yīng)用于解決航空發(fā)動機關(guān)鍵零部件表面的快速保護和修復問題。
[0008]本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，熔覆材料是采用化學鍍法制備出的納米核殼粒子粉末，組分為YSZONi，其中YSZ是Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO 2，以氧化鋯為核層，Ni為殼層，其特征在于方法步驟如下:
第一步:化學鍍法制備納米YSZONi核殼粒子；
第二步:Ni基合金表面進行打磨，用丙酮和酒精超聲波清洗干凈，干燥備用；
第三步:將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻；
第四步:在第三步均勻混合粉中，加入定量2wt% PVA-124水溶膠體作為粘結(jié)劑，充分攪拌，混合均勻；
第五步:將第四步處理好的粉末均勻涂覆在第二步處理好的Ni基合金表面，烘干； 第六步:預置層激光熔覆處理。
[0009]進一步的，所述納米核殼粒子粉末中核部分為陶瓷相YSZ，殼層選取金屬Ni。
[0010]進一步的，所述納米YSZ_i核殼粒子粉末中YSZ含量占總含量的40-60wt.%。進一步的，所述化學鍍法制備的納米YSZONi核殼粒子粉末粒度為80-200nm，其中殼層厚度大概為10-20nm，并且具有很好的分散性，納米YSZ被殼層金屬Ni所包覆。
[0011]進一步的，所述方法步驟第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，YSZ粉末先經(jīng)30min超聲分散，隨后用120ml pH=9_10的NaOH溶液潤濕，再超聲波分散30min，將上述懸液加入配備好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml水合肼，混合均勻。
[0012]進一步的，所述方法步驟第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，將備好的溶液至于55-75° C的超聲波恒溫水浴槽中，機械攪拌，向其中滴加lmol/L的NaOH溶液，使反應(yīng)槽中的pH值保持在9-12。
[0013]進一步的，所述方法步驟第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，在溶液逐漸變成灰褐色，說明反應(yīng)基本結(jié)束，繼續(xù)反應(yīng)一段時間，將所得產(chǎn)物過濾，用蒸餾水和酒精交替清洗多次，烘干。
[0014]進一步的，所述方法步驟第三步中將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻，采用的粘結(jié)金屬成分為NiCoCrAlY，粉末粒徑小于lOOMm。
[0015]進一步的，所述方法步驟第三步中將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勾，球料比為13:1，轉(zhuǎn)速為250-500r/min，球磨時間為5h。
[0016]進一步的，所述方法步驟第四步中采用的粘結(jié)劑PVA的濃度為2wt%。
[0017]進一步的，所述方法步驟第五步中處理好的預置層上進行激光處理，采用HGL-JKR5080型5kW橫流0)2激光器加熱熔覆，激光器輸出功率P=800-1800W，光束掃描速度 V=240-600mm/min ;光斑直徑 D=3_5mm。
[0018]本發(fā)明的技術(shù)效果是:(I)本發(fā)明采用的化學鍍法在納米YSZ表面包覆一層金屬Ni,形成核殼式結(jié)構(gòu)。這種核殼式結(jié)構(gòu)不僅可以緩解納米粒子團聚問題，而且還可以防止納米陶瓷燒損問題。另外，納米YSZ表面包覆Ni后，還可以與涂層中的粘結(jié)金屬形成金屬鍵，增強了納米YSZ與粘結(jié)金屬的結(jié)合力；從而粘結(jié)金屬又可與基體合金形成化學鍵，從而促進了納米陶瓷涂層與基體的界面結(jié)合；(2)本發(fā)明摸索出一種采用YSZONi核殼結(jié)構(gòu)改善納米YSZ粒子的分散性、防止其在激光熔覆過程中的燒損，并且殼層金屬Ni還可以與基體形成金屬鍵，增強了納米YSZ與過渡層的結(jié)合力，從而促進了納米陶瓷涂層與基體的結(jié)合力的方法；(3)本發(fā)明的順利應(yīng)用，對于加快納米陶瓷涂層技術(shù)在耐磨損及耐高溫等關(guān)鍵零部件表面的快速保護和修復領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明制備出的納米核殼粒子粉SEM圖。
[0020]圖2是本發(fā)明制備出的納米核殼粒子粉TEM圖。

【具體實施方式】
[0021]下面對本發(fā)明作進一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0022]本發(fā)明選取納米核殼粒子粉末作為熔覆材料，其中以YSZ (氧化鋯)為核層，Ni為殼層。YSZ是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ耐繉硬牧希@是因為雖然陶瓷材料大都具有耐熱和耐蝕的性能，但同其他陶瓷材料相比，YSZ具有較高的強度和斷裂韌性、良好的耐磨性。此外，氧化鋯涂層還具有優(yōu)異的熱力學性能如線膨脹系數(shù)較高，與目前普遍用作緩沖層的鎳基合金較為相近，所以因熱失配引起的熱應(yīng)力相對較小。而殼層金屬Ni的熔點低于陶瓷，所以采用較低功率的激光就可熔化表面Ni，與基體金屬反應(yīng)，形成冶金結(jié)合，從而可以保護核層的納米 YSZo
[0023]一種激光熔覆納米核殼粒子粉末制備表面陶瓷涂層制備方法按下列步驟:
首先，采用化學鍍法制備納米核殼粒子。
[0024](I)稱取適量的NaOH，配制lmol/L的NaOH溶液備用。
[0025](2)稱取3.6gNiC12.6H20溶于30ml去離子水備用。
[0026](3)使用前先將YSZ納米粉末置于100。C干燥箱中，烘烤24h以去除吸附在顆粒表面的水汽和雜質(zhì)。
[0027](4)用電子天平秤取0.13g納米YSZ粉。
[0028](5)YSZ粉末先經(jīng)30min超聲分散，隨后用120ml pH=9_10的NaOH溶液潤濕，再超聲波分散30min。
[0029](6)將上述懸液加入配備好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml水合肼，混合均勻。
[0030](7)將備好的溶液至于55-75° C的超聲波恒溫水浴槽中，機械攪拌，向其中滴加lmol/L的NaOH溶液，使反應(yīng)槽中的pH值保持在9_12。
[0031](8)隨后溶液逐漸變成灰褐色，說明反應(yīng)基本結(jié)束，繼續(xù)反應(yīng)一段時間，將所得產(chǎn)物過濾，用蒸餾水和酒精交替清洗多次，烘干；
其次，激光熔覆前，使用線切割出尺寸為60 mmX20 mmX5 mm Ni基合金試樣若干，將試樣表面粗化處理，并用丙酮和酒精超聲波清洗干凈，干燥備用；
最后，預置粉末于處理好的Ni基合金表面，烘干后，進行激光熔覆。
[0032]實施例一:在鎳基合金表面激光熔覆納米YSZONi核殼粒子粉末制備納米陶瓷涂層，其具體步驟是:
(1)采用化學鍍法制備納米YSZ_i核殼粒子；
(2)將化學鍍法制備好的粒度為80-200nm的納米YSZONi核殼粒子粉末研磨均勻，一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻；
(3)在第二步均勻混合粉中，加入定量2wt%PVA-124水溶膠體作為粘結(jié)劑，充分攪拌，混合均勻；
(4)使用線切割出尺寸為60mmX20 mmX 5 mm Ni基合金試樣，將試樣表面粗化處理，并用丙酮和酒精超聲波清洗干凈，干燥備用；
(5)將第三步處理好的混合粉末均勻涂覆在第四步處理好的Ni基合金表面，烘干；
(6)在第五步處理好的預置層上進行激光處理，采用HGL-JKR5080型5kW橫流0)2激光器加熱熔覆，激光器輸出功率P=800-1800W，光束掃描速度V=240-600mm/min ;光斑直徑D=3_5mm0
[0033]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)在技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，熔覆材料是采用化學鍍法制備出的納米核殼粒子粉末，組分為YSZONi，其中YSZ是Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO 2，以氧化鋯為核層，Ni為殼層，其特征在于方法步驟如下: 第一步:化學鍍法制備納米YSZONi核殼粒子； 第二步:Ni基合金表面進行打磨，用丙酮和酒精超聲波清洗干凈，干燥備用； 第三步:將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻； 第四步:在第三步均勻混合粉中，加入定量2wt% PVA-124水溶膠體作為粘結(jié)劑，充分攪拌，混合均勻； 第五步:將第四步處理好的粉末均勻涂覆在第二步處理好的Ni基合金表面，烘干； 第六步:預置層激光熔覆處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述納米YSZ_i核殼粒子粉末中YSZ含量占總含量的40-60wt.%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，YSZ粉末先經(jīng)30min超聲分散，隨后用120ml pH=9-10的NaOH溶液潤濕，再超聲波分散30min，將上述懸液加入配備好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml水合肼，混合均勻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3—種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，將備好的溶液至于55-75° C的超聲波恒溫水浴槽中，機械攪拌，向其中滴加lmol/L的NaOH溶液，使反應(yīng)槽中的pH值保持在9-12o
5.根據(jù)權(quán)利要求4一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第一步中化學鍍法制備納米核殼粒子，在溶液逐漸變成灰褐色，說明反應(yīng)基本結(jié)束，繼續(xù)反應(yīng)一段時間，將所得產(chǎn)物過濾，用蒸餾水和酒精交替清洗多次，烘干。
6.根據(jù)權(quán)利要求1一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第三步中將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻，采用的粘結(jié)金屬成分為NiCoCrAlY，粉末粒徑小于lOOMm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6—種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第三步中將納米YSZONi核殼粒子粉末與一定配比的粘結(jié)金屬粉球磨混合均勻，球料比為13:1，轉(zhuǎn)速為250-500r/min，球磨時間為5h。
8.根據(jù)權(quán)利要求1一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第四步中采用的粘結(jié)劑PVA的濃度為2wt%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1一種利用納米核殼粒子粉末激光熔覆制備表面陶瓷涂層方法，其特征在于:所述第五步中處理好的預置層上進行激光處理，采用HGL-JKR5080型5kW橫流CO2激光器加熱熔覆，激光器輸出功率P=800-1800W，光束掃描速度V=240-600mm/min ;光斑直徑 D=3_5mm。
【文檔編號】C23C24/10GK104498944SQ201510015600
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2015年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月13日
【發(fā)明者】熊玲玲, 鄭海忠, 李貴發(fā), 余平, 羅欽毫 申請人:南昌航空大學