本實(shí)用新型涉及一種涂層制備裝置，特別是一種制備納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的液料等離子噴涂裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)等離子噴涂制備陶瓷涂層以具有一定粒度范圍、流動(dòng)性良好、松裝密度適中的陶瓷粉末為噴涂原料(如Metco 204NS和Metco 106F等)，這種噴涂粉末制備方法主要有電熔破碎法、共沉淀-燒結(jié)法、共沉淀-噴霧干燥法等。例如申請(qǐng)?zhí)枮椤?1128448.X”，名稱為“納米氧化鋯粉體的制備方法”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)；申請(qǐng)?zhí)枮椤?00510045013.1”，名稱為“熱障涂層用氧化鋯納米材料的制備方法”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)；申請(qǐng)?zhí)枮椤?01010177581.8”，名稱為“氧化鋁-氧化鈦復(fù)合陶瓷粉末的制備方法”的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)。采用上述工藝制備噴涂粉末具有工藝流程復(fù)雜、能耗高、效率低等缺點(diǎn)，更重要的是這種粉末在等離子射流中溶化后撞擊在基體上形成直徑約30μm～200μm的扁平粒子，這種大尺寸扁平化粒子容易形成平行于涂層表面的橫向微觀裂紋和大尺寸孔隙，影響涂層性能。通過(guò)噴涂細(xì)小原料粉末(如亞微米或納米粉末)可以在基體上形成尺寸較小扁平粒子，消除上述缺陷，但是噴涂粉末尺寸小于10μm時(shí)，由于靜電作用，粉末會(huì)形成不可控團(tuán)聚現(xiàn)象，其流動(dòng)性大幅下降，難以實(shí)現(xiàn)粉末穩(wěn)定輸送，從而影響噴涂工藝穩(wěn)定性。另外，現(xiàn)有技術(shù)中采用粉末作為噴涂原料的等離子噴涂工藝難以制備厚度在20μm～100μm之間的涂層，如光催化和固體氧化物燃料電池(SOFC)上應(yīng)用的功能涂層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種通過(guò)在等離子射流中合成陶瓷粒子或?qū)單⒚准凹{米陶瓷粒子送入等離子射流并沉積在基體上制備具有納米結(jié)構(gòu)特征的陶瓷涂層的液料等離子噴涂裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種液料等離子噴涂裝置，用于在基體上制備出具有納米結(jié)構(gòu)特征的陶瓷涂層，其中，包括等離子系統(tǒng)和液料輸送裝置，所述液料輸送裝置包括液料輸送系統(tǒng)、清潔系統(tǒng)及液料注入系統(tǒng)，所述液料輸送系統(tǒng)包括氣源和液料輸送動(dòng)力裝置，所述液料輸送動(dòng)力裝置與所述氣源連接，所述液料注入系統(tǒng)包括二流氣霧化噴嘴和將所述二流氣霧化噴嘴裝卡于所述等離子系統(tǒng)的相應(yīng)工裝，所述二流氣霧化噴嘴分別與所述液料輸送動(dòng)力裝置及所述氣源連接，所述二流氣霧化噴嘴將所述液料輸送動(dòng)力裝置中的液料霧化成具有一定速度的液滴并送入所述等離子射流的高溫區(qū)，所述液滴經(jīng)所述等離子射流加熱加速后沉積在所述基體上形成納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層，所述二流氣霧化噴嘴為一種二流氣霧化噴嘴，以便將液料有效送入等離子射流。

上述液料等離子噴涂裝置，其中，還包括清潔系統(tǒng)，所述清潔系統(tǒng)包括清潔介質(zhì)輸送動(dòng)力裝置，所述清潔介質(zhì)輸送動(dòng)力裝置與所述氣源連接，所述液料注入系統(tǒng)與所述清潔介質(zhì)輸送動(dòng)力裝置連接。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述液料可以為溶液前驅(qū)體或懸浮液，所述清潔介質(zhì)為純凈水或去離子水。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述液料輸送動(dòng)力裝置為液料儲(chǔ)存壓力容器，所述液料儲(chǔ)存壓力容器上還安裝有機(jī)械攪拌裝置，以防止所述液料在所述液料儲(chǔ)存壓力容器內(nèi)發(fā)生成分偏析或沉淀及便于對(duì)所述液料儲(chǔ)存壓力容器進(jìn)行清洗。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述機(jī)械攪拌裝置包括動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和攪拌結(jié)構(gòu)，所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與所述攪拌機(jī)構(gòu)連接，所述動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在所述液料儲(chǔ)存壓力容器頂部，所述攪拌機(jī)構(gòu)安裝在所述液料儲(chǔ)存壓力容器內(nèi)。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述液料儲(chǔ)存壓力容器還設(shè)置有卸料閥和泄壓閥。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述清潔介質(zhì)輸送動(dòng)力裝置為清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器，所述清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器還設(shè)置有泄壓閥。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述氣源通過(guò)氣體輸送管路分別與所述液料儲(chǔ)存壓力容器、所述清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器及所述二流氣霧化噴嘴連接，所述氣體輸送管路上設(shè)置有調(diào)壓閥、氣體流量計(jì)和/或減壓閥。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述液料儲(chǔ)存壓力容器和/或所述清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器的壓力為0～0.6MPa且連續(xù)可調(diào)，所述二流氣霧化噴嘴的霧化氣壓力為0～0.4MPa且連續(xù)可調(diào)，所述液料輸送系統(tǒng)的液料輸送速率為0～100ml/min。

上述的液料等離子噴涂裝置，其中，所述基體上形成的納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層的厚度為10μm～100μm，也可以更厚。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于：

1、本實(shí)用新型可采用溶液前驅(qū)體為噴涂原料，省略了現(xiàn)有等離子噴涂工藝中粉末制備環(huán)節(jié)，提高了涂層制備效率；

2、由于液料在等離子射流中經(jīng)過(guò)溶劑揮發(fā)、溶質(zhì)析出、高溫分解、熔化等部分或全部過(guò)程形成納米粒子，有效抑制了粉末制備環(huán)節(jié)中納米粒子長(zhǎng)大現(xiàn)象，可以制備出具有納米結(jié)構(gòu)的涂層；

3、涂層由細(xì)小扁平粒子組成，使涂層結(jié)構(gòu)精細(xì)化，消除了尺寸較大扁平粒子在凝固過(guò)程中形成的缺陷；

4、由于本實(shí)用新型裝置具有機(jī)械攪拌和清潔系統(tǒng)，可以保證整個(gè)涂層成分和結(jié)構(gòu)均勻性及涂層制備過(guò)程穩(wěn)定、順利進(jìn)行；

5、本裝置中液料注入系統(tǒng)采用二流氣霧化噴嘴，液料流量和霧化氣流量及壓力可以分別控制，在小液料流量下可將液料有效送入等離子射流，從而更有效控制涂層結(jié)構(gòu)。

基于上述特點(diǎn)，利用本液料等離子噴涂裝置可以噴涂氧化釔部分穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)、氧化鋁(Al₂O₃)、氧化鋁(Al₂O₃)－氧化鈦(TiO₂)和氧化鈦(TiO₂)的溶液前驅(qū)體或懸浮液來(lái)制備具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的液料等離子噴涂裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2a、圖2b為本實(shí)用新型實(shí)施例的液料輸送裝置定量輸送YSZ溶液前驅(qū)體的曲線；

圖3a、圖3b為利用本實(shí)用新型實(shí)施例噴涂YSZ溶液前驅(qū)體制備的YSZ涂層表面形貌和截面形貌；

圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例噴涂YSZ溶液前驅(qū)體制備的YSZ涂層截面形貌；

其中，附圖標(biāo)記

1等離子射流

2等離子系統(tǒng)

3a液料輸送裝置

3b液料輸送系統(tǒng)

3液料儲(chǔ)存壓力容器

4機(jī)械攪拌裝置

5卸料閥

6第一泄壓閥

61第二泄壓閥

7a清潔系統(tǒng)

7清潔介質(zhì)存儲(chǔ)壓力容器

8a液料注入系統(tǒng)

8二流氣霧化噴嘴

9二位三通閥

10第一氣體流量計(jì)

11第一調(diào)壓閥

12減壓閥

13氣源

14基體

15液料口

16第二調(diào)壓閥

17第三調(diào)壓閥

18第二氣體流量計(jì)

a1、a2、a3、a4壓力分別為0.16MPa、0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa時(shí)的溶液前驅(qū)體流量

具體實(shí)施方式

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但本實(shí)用新型的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例中所涉及的內(nèi)容。

實(shí)施例1

本實(shí)用新型制備納米結(jié)構(gòu)薄陶瓷涂層的液料等離子噴涂裝置，包括等離子系統(tǒng)2和由液料輸送系統(tǒng)3b、液料注入系統(tǒng)8a及清潔系統(tǒng)7a組成的液料輸送裝置3a。其中液料輸送系統(tǒng)3b包括充入壓縮氣體的液料儲(chǔ)存壓力容器3和相應(yīng)的氣體及液料輸送管路，清潔系統(tǒng)7a包括充入壓縮氣體的清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器7和相應(yīng)的氣體及清潔介質(zhì)輸送管路，液料注入系統(tǒng)8a包括二流氣霧化噴嘴8和用于將二流氣霧化噴嘴裝卡于等離子系統(tǒng)2上且三維方向可調(diào)的相應(yīng)工裝。液料通過(guò)輸送管路送入液料和霧化氣獨(dú)立控制的二流氣霧化噴嘴8，液料經(jīng)過(guò)霧化、加速后送入等離子射流1，并沉積在基體14上形成陶瓷涂層。圖1中液料等離子噴涂裝置中液料儲(chǔ)存容器3上有機(jī)械攪拌裝置4，液料從液料儲(chǔ)存容器的液料口15裝入，裝入溶液前驅(qū)體后將液料口15擰緊，液料口具有密封功能。為保證涂層成分和結(jié)構(gòu)均勻性，在噴涂過(guò)程中開(kāi)啟攪拌功能，使溶液前驅(qū)體保持均勻性。采用第一調(diào)壓閥11和第二調(diào)壓閥16分別控制液料儲(chǔ)存壓力容器3和清潔介質(zhì)存儲(chǔ)壓力容器7內(nèi)壓力，液料通過(guò)管路送入液料注入系統(tǒng)二流氣霧化噴嘴8。該系統(tǒng)具有清潔功能，通過(guò)壓力將清潔介質(zhì)儲(chǔ)存容器7中清潔介質(zhì)送入二流氣霧化噴嘴8，液料輸送管路、清潔介質(zhì)輸送管路通過(guò)二位三通閥9與二流氣霧化噴嘴8相連。在涂層制備過(guò)程中二位三通閥9控制液料送入二流氣霧化噴嘴8，噴涂完成后，二位三通閥9控制清潔介質(zhì)送入二流氣霧化噴嘴8，對(duì)二流氣霧化噴嘴8進(jìn)行清洗，以保證涂層整個(gè)制備過(guò)程順利。通過(guò)第三調(diào)壓閥17控制二流氣霧化噴嘴8霧化氣壓力，氣體流量計(jì)10和18分布顯示向液料儲(chǔ)存壓力容器3充氣流量和向二流氣霧化噴嘴8輸送氣體流量。通過(guò)卸壓閥對(duì)液料儲(chǔ)存壓力容器3和清潔介質(zhì)儲(chǔ)存壓力容器7卸壓，涂層制備完成后通過(guò)卸料閥5將液料排出。氣源13的壓縮氣體通過(guò)減壓閥12減壓后供整個(gè)液料輸送裝置使用。在涂層制備過(guò)程中，通過(guò)二流氣霧化噴嘴8將液料霧化、加速后注入等離子射流1，液料在等離子射流1中經(jīng)過(guò)溶劑揮發(fā)、溶質(zhì)析出、高溫分解和熔化等過(guò)程后沉積在基體14上形成涂層。

實(shí)施例2

依照本實(shí)用新型的技術(shù)方案，參見(jiàn)圖2a及圖2b，圖2a、圖2b為本實(shí)用新型實(shí)施例的液料輸送裝置定量輸送鋯鹽和釔鹽水溶液組成的氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)溶液前驅(qū)體的曲線，在液料儲(chǔ)存壓力容器不同罐內(nèi)壓力下測(cè)試了溶液前驅(qū)體流量，圖2a中每個(gè)壓力下至少測(cè)試5次，每次測(cè)試5min，圖中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)為5min平均值。圖2a中所示的圖線a1、a2、a3、a4分別對(duì)應(yīng)測(cè)試壓力為0.16MPa、0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa時(shí)的溶液前驅(qū)體流量，在每個(gè)測(cè)試壓力下，溶液前驅(qū)體流量基本保持恒定，流量波動(dòng)小于±5％。圖2b為不同壓力下對(duì)應(yīng)流量，可知溶液前驅(qū)體流量和罐內(nèi)壓力存在線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力可以穩(wěn)定控制溶液前驅(qū)體流量。

實(shí)施例3

將YSZ溶液前驅(qū)體以25ml/min的流量經(jīng)過(guò)二流氣霧化噴嘴8霧化后送入等離子射流1，霧化氣壓力為0.1MPa，溶液前驅(qū)體與等離子射流1發(fā)生熱量交換，在等離子射流1中經(jīng)過(guò)溶劑揮發(fā)、溶質(zhì)析出、高溫分解和熔化等過(guò)程后在基體14上形成YSZ涂層。用掃描電鏡SEM觀察涂層表面形貌，如圖3a所示，結(jié)果表明，涂層為納米結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸小于100nm，且扁平化粒子直徑小于5μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)等離子噴涂涂層中扁平化粒子直徑30～200μm。用掃描電鏡SEM測(cè)試涂層微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果如圖3b所示，結(jié)果表明，在涂層中無(wú)橫向?qū)娱g裂紋，孔隙以島狀均勻分布，且大量孔隙小于2μm。橫向?qū)娱g裂紋是傳統(tǒng)等離子噴涂制備陶瓷涂層的一種固有缺陷。

實(shí)施例4

將YSZ溶液前驅(qū)體以25ml/min的流量經(jīng)過(guò)二流氣霧化噴嘴8在霧化氣壓力為0.14MPa下送入等離子射流1，沉積在基體14上形成YSZ涂層。噴涂過(guò)程中等離子槍擺動(dòng)速度為300m/s，步進(jìn)高度3mm，連續(xù)噴涂30次。用掃描電鏡SEM測(cè)試涂層微觀結(jié)構(gòu)。如圖4所示，在涂層中形成垂直于涂層表面的垂直裂紋，涂層結(jié)構(gòu)均勻，涂層厚度為290μm，即涂層沉積速率約為10μm/次，適合制備厚度要求較薄、結(jié)構(gòu)均勻的陶瓷涂層。

本實(shí)用新型克服了傳統(tǒng)等離子噴涂工藝中不能噴涂細(xì)小粉末的瓶頸問(wèn)題，通過(guò)將溶液前驅(qū)體注入等離子射流1，經(jīng)過(guò)一系列物理化學(xué)變化過(guò)程后在等離子射流1中形成細(xì)小陶瓷粒子，最后沉積在基體14上形成具有納米結(jié)構(gòu)的陶瓷涂層，即通過(guò)在等離子射流中合成陶瓷粒子的方法制備出具有納米結(jié)構(gòu)特征的陶瓷涂層，尤其適合制備厚度要求在10μm～100μm之間的納米結(jié)構(gòu)薄陶瓷涂層。

當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本實(shí)用新型做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。