一種三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及陶瓷復(fù)合涂層材料及其制備技術(shù)，具體涉及一種三維交疊層狀復(fù)合陶 瓷涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陶瓷涂層材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)，在能源、冶金、石 油化工、航天航空等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。但是，陶瓷涂層材料本身脆性大，對(duì)缺陷十 分敏感，導(dǎo)致使用可靠性和可重復(fù)性差，限制了其應(yīng)用。因此，增加陶瓷涂層材料的韌性， 提高其使用可靠性，一直是陶瓷涂層材料研宄的重點(diǎn)。為了有效地提高陶瓷涂層材料的韌 性，材料科學(xué)工作者們進(jìn)行了各種嘗試。目前常用的方式是對(duì)陶瓷涂層進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)韌化，通 過(guò)添加增韌相來(lái)提高陶瓷涂層的韌性，例如纖維或晶須增韌補(bǔ)強(qiáng)、相變?cè)鲰g、顆粒彌散增韌 等。這些方法雖然都取得了一定程度的進(jìn)展，但都存在著不足。長(zhǎng)纖維增韌雖然效果較好， 但實(shí)用化的陶瓷/纖維體系少，且工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高；晶須增韌由于晶須尺寸 較小而效果有限，且晶須對(duì)人體健康有害；相變?cè)鲰g在高溫下會(huì)失效；顆粒彌散增韌效果 也有限?？傊壳俺Ｓ玫奶沾刹牧蠌?qiáng)韌化方法很難從根本上解決陶瓷涂層材料脆性大的 弱點(diǎn)。因此，尋求新的陶瓷強(qiáng)韌化方法十分必要。
[0003] 近年來(lái)出現(xiàn)的層狀復(fù)合技術(shù)具有強(qiáng)韌化效果顯著、材料體系多、使用溫度高等優(yōu) 點(diǎn)，是目前陶瓷涂層強(qiáng)韌化的最有效途徑之一，近年來(lái)發(fā)展較快，受到國(guó)際陶瓷學(xué)界的重 視°J.Gao,Y.D.He,D.R.Wang,MaterialsChemistryandPhysics,Volume123,Issues 2 - 3 (2010) 731 - 736和J.Gao,Y.D.He,D.R.Wang,J.Eur.Ceram.Soc.，31 (2010) 79 - 84分 別報(bào)道了Al203/Zr〇dPYSZ/A1 203兩種層狀復(fù)合陶瓷涂層的制備及其在金屬基體上的高溫 性能，研宄發(fā)現(xiàn)：兩種層狀復(fù)合陶瓷涂層均表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗高溫氧化性能以及優(yōu)良的抗開(kāi) 裂剝落性能。對(duì)于層狀復(fù)合陶瓷的設(shè)計(jì)，常選用高強(qiáng)度、高硬度的陶瓷（如Si3N4、Al203、SiC 等）與低硬度、低彈性模量的陶瓷（如BN、石墨等）或金屬（如Al、Ni、W等）進(jìn)行復(fù)合構(gòu)成 軟-硬層交疊結(jié)構(gòu)，利用裂紋在弱結(jié)合層中的取向擴(kuò)展和偏轉(zhuǎn)，提高材料的強(qiáng)韌性。然而， 事物總有兩面性，也正是弱結(jié)合層的存在，導(dǎo)致此類層狀復(fù)合陶瓷涂層天生具有某些弱點(diǎn)， 那就是在平行于疊層方向，層狀復(fù)合陶瓷涂層的抗剪切能力很差；此外，在復(fù)雜的外界環(huán)境 或受力狀態(tài)下，裂紋的發(fā)生發(fā)展將優(yōu)先集中在材料的薄弱環(huán)節(jié)（弱結(jié)合層），這時(shí)層狀復(fù)合 陶瓷涂層的強(qiáng)韌性能否保持，將值得懷疑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法。使涂層在 三維方向上均由陶瓷材料交疊組成，以解決傳統(tǒng)單一方向交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層材料在平 行于疊層方向抗剪切能力較差并且在復(fù)雜的外界環(huán)境或受力狀態(tài)下易于在弱結(jié)合層優(yōu)先 發(fā)生失效破壞的缺點(diǎn)。為新型高性能層狀復(fù)合陶瓷涂層的發(fā)展提供新的設(shè)計(jì)理念和新的技 術(shù)途徑。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0006] 涂層在三維方向上均由兩種不同的陶瓷材料交疊組成，交疊陶瓷層的厚度為 0. 5ym?100ym，交疊的長(zhǎng)度和寬度為20mm?75mm，涂層采用爆炸噴涂工藝進(jìn)行制備，其 制備過(guò)程包括下列步驟：
[0007] (1)將陶瓷A粉末和陶瓷B粉末分別裝入爆炸噴涂設(shè)備兩個(gè)不同的送粉器中；
[0008] (2)通過(guò)噴槍程序分別設(shè)定陶瓷A和陶瓷B的噴涂路徑，使所得到的噴涂程序I和 噴涂程序II耦合后實(shí)現(xiàn)陶瓷A和陶瓷B在平面上相互交疊的效果；
[0009] (3)先后運(yùn)行噴涂程序I和噴涂程序II，制備在平面上橫縱向交疊的陶瓷A和陶 瓷B的單層交疊層，噴涂時(shí)的氧燃比為1. 2?1. 8,噴涂交疊率為40%?50% ;
[0010] (4)將噴涂程序I和噴涂程序II所對(duì)應(yīng)的噴涂路徑相互調(diào)換，運(yùn)行噴涂程序制備 第二層交疊層；
[0011] (5)重復(fù)進(jìn)行步驟（3)和步驟（4)，制備得到三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層。
[0012] 交疊的陶瓷涂層材料可以為Al2O3、或莫來(lái)石3A1203 ? 2Si02、或ZrO2、或Y2O3穩(wěn)定 的ZrO2 (YSZ)、或Cr203、或TiO2、或（1-x)BaO?xSrO?Al2O3 ? 2Si02 (BSAS)、或BN、或TiN、或 SiC、或ZrB、或TiB、或MoSi2、或La2Zr2O7、或La2Zr2O7，或以上兩種或兩種以上陶瓷材料的復(fù) 合。
[0013] 所采用的爆炸噴涂設(shè)備應(yīng)具備自動(dòng)選點(diǎn)噴涂程序和雙送粉噴涂功能。
[0014] 爆炸噴涂陶瓷層的距離為120mm?240mm，氧氣和燃?xì)獾某錁尡壤秊?0?80%。
[0015] 所用陶瓷噴涂粉末的目數(shù)為150目?800目，gp18ym?106ym。
[0016] 所制備涂層的基體材料可以為金屬或合金材料、或碳/碳復(fù)合材料、或碳化硅/碳 化硅復(fù)合材料。
[0017] 本發(fā)明的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法具有如下特性：
[0018](1)優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和持久的涂層壽命
[0019] 本發(fā)明通過(guò)三維方向上涂層交疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使涂層與傳統(tǒng)單一方向交疊層狀涂層 陶瓷涂層相比，具有更為優(yōu)異的抗外力沖擊能力。無(wú)論是對(duì)于常溫涂層還是高溫涂層，該涂 層均能有效吸收或松弛外界載荷或高溫?zé)釕?yīng)力，使涂層具有優(yōu)異的斷裂韌性或抗高溫開(kāi)裂 剝落能力，最終使涂層具有更為持久的使用壽命。
[0020] (2)三維復(fù)合結(jié)構(gòu)可形成某些特殊功能涂層材料
[0021] 本發(fā)明的三維交疊層狀復(fù)合涂層在涂層結(jié)構(gòu)上區(qū)域性涂層材料均勻復(fù)合的特點(diǎn)， 進(jìn)而可以為某些細(xì)微區(qū)域需要不同性能要求的特殊功能涂層材料的制備提供設(shè)計(jì)和技術(shù) 參考。
[0022] (3)本發(fā)明所采用的爆炸噴涂工藝具有間斷性區(qū)域噴涂的特點(diǎn)，相比于其他連續(xù) 型或全覆蓋型制備工藝相比，爆炸噴涂工藝可實(shí)現(xiàn)"選擇性"噴涂，具有制備工藝控制簡(jiǎn)單 易行，涂層厚度控制范圍大，涂層致密及不同涂層材料復(fù)合緊密的特點(diǎn)。
[0023] (4)本發(fā)明所采用的爆炸噴涂工藝可制備材料種類多、范圍廣，可實(shí)現(xiàn)某些物理化 學(xué)性能差異較大陶瓷材料的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層的制備。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于，涂層在三維方向上均 由兩種不同的陶瓷材料交疊組成，交疊陶瓷層的厚度為0. 5 μπι?100 μπι，交疊的長(zhǎng)度和寬 度為20mm?75mm，涂層采用爆炸噴涂工藝進(jìn)行制備，其制備過(guò)程包括下列步驟： (1) 將陶瓷A粉末和陶瓷B粉末分別裝入爆炸噴涂設(shè)備兩個(gè)不同的送粉器中； (2) 通過(guò)噴槍程序分別設(shè)定陶瓷A和陶瓷B的噴涂路徑，使所得到的噴涂程序I和噴涂 程序II耦合后實(shí)現(xiàn)陶瓷A和陶瓷B在平面上相互交疊的效果； (3) 先后運(yùn)行噴涂程序I和噴涂程序II，制備在平面上橫縱向交疊的陶瓷A和陶瓷B 的單層交疊層，噴涂時(shí)的氧燃比為1. 2?1. 8,噴涂交疊率為40%?50% ; (4) 將噴涂程序I和噴涂程序II所對(duì)應(yīng)的噴涂路徑相互調(diào)換，運(yùn)行噴涂程序制備第二 層交疊層； (5) 重復(fù)進(jìn)行步驟（3)和步驟（4)，制備得到三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于，交 疊的陶瓷涂層材料可以為4120 3、或莫來(lái)石341203 *25102、21〇2、￥203穩(wěn)定的21〇 2、0203、1102、 (I-X)BaO · xSrO · Al2O3 · 2Si02、BN、TiN、SiC、ZrB、TiB、MoSi2、La2Zr 207、La2Zr207或以上兩 種或兩種以上陶瓷材料的復(fù)合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于，所 采用的爆炸噴涂設(shè)備應(yīng)具備自動(dòng)選點(diǎn)噴涂程序和雙送粉噴涂功能。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于，爆 炸噴涂陶瓷層的距離為120mm?240mm，氧氣和燃?xì)獾某錁尡壤秊?0?80%。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于， 所用陶瓷噴涂粉末的目數(shù)為150目?800目，g卩ISym?106ym。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其特征在于，所 制備涂層的基體材料可以為金屬或合金材料、碳/碳復(fù)合材料或碳化硅/碳化硅復(fù)合材料。
【專利摘要】本發(fā)明涉及陶瓷復(fù)合涂層材料及其制備技術(shù)，具體涉及一種三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法。涂層在三維方向上均由兩種不同的陶瓷材料交疊組成，交疊陶瓷層的厚度為0.5μm～100μm，交疊的長(zhǎng)度和寬度為20mm～75mm，涂層采用爆炸噴涂工藝進(jìn)行制備，利用爆炸噴涂間斷性選擇噴涂方式交疊噴涂?jī)煞N涂層材料，隨后交換兩種涂層材料的噴涂區(qū)域進(jìn)行縱向交疊構(gòu)成三維交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層。該涂層通過(guò)三維方向上涂層交疊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有比傳統(tǒng)單一方向交疊層狀復(fù)合陶瓷涂層具有更為優(yōu)異的抗外力沖擊能力。該涂層能有效吸收或松弛外界載荷或高溫?zé)釕?yīng)力，使涂層具有優(yōu)異的斷裂韌性或抗高溫開(kāi)裂剝落能力及更為持久的使用壽命。
【IPC分類】C04B35-10, C04B35-58, C04B35-622, C04B35-185, C04B41-87, C04B35-46, C04B35-48, C04B35-565, C04B35-583
【公開(kāi)號(hào)】CN104557054
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410768578
【發(fā)明人】高俊國(guó), 崔永靜, 王長(zhǎng)亮, 郭孟秋
【申請(qǐng)人】中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月12日