CN102409280A

CN102409280A - 具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN102409280A
Application number: CN2011103928757A
Authority: CN
Inventors: 程敬卿; 汪灏
Original assignee: ANHUI YUHENG MATERIAL TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: Wuhu Dingheng Materials Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明涉及氧化铝陶瓷涂层及其制备技术。其涂层由热喷涂方法制备得到，其喷涂物料是由氧化铝粉末和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中，氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占总重量的25-80wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。制备过程是：（1）配制氧化铝粉末和稀土氧化物的混合细粉料；（2）制备粒度为20-100μm的氧化铝基玻璃颗粒；（3）将玻璃颗粒热喷涂到基体上，形成纳米结构涂层。本发明以结构均匀致密的氧化铝基玻璃颗粒作为喷涂原料，因此涂层中气孔率在2%以下，具有优良的结合强度和高耐磨损性等机械性能。

Description

具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及氧化铝陶瓷涂层及其制备技术，尤其涉及一种具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层和制备方法。

背景技术

热喷涂氧化铝涂层具有优良的机械和电学性能，用作抗磨损、耐腐蚀和高温隔热涂层，在机械、化工、冶金等领域得到了广泛应用。利用纳米结构来改善涂层性能已成为氧化铝陶瓷涂层研究的方向，用热喷涂技术制备的纳米结构氧化铝涂层与传统涂层相比，在强度、韧性、抗腐蚀、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。自上世纪90 年代以来，热喷涂纳米氧化铝涂层已经取得了快速发展。但是，纳米氧化铝涂层在涂层结构以及性能方面仍存在着一些问题：（1）纳米颗粒的烧结长大问题。纳米粒子比表面积大,表面活性高,致使熔点下降,喷涂过程中容易烧结长大而改变性状,最终影响到涂层中纳米晶结构的保持，所以热喷涂制备的纳米氧化铝涂层通常只是具有部分的纳米结构；（2）涂层质量问题。在等离子喷涂中，由于火炬存在很宽的温度梯度分布，原料颗粒在火炬中的熔化状态、温度分布、冷却速度等不可能完全相同，很难保证所有的原料都能处在优化的工艺条件下，因而很难得到结构均匀、致密的涂层。同时，作为喷涂原料的团聚颗粒往往致密度较差，内部的气孔会在涂层中残留下来，导致涂层内部微观结构的不均匀，以及致密度差，最终影响涂层的性能。通常，等离子喷涂的陶瓷涂层的气孔率都在3-5%，甚至更高。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中的不足，提供一种具有纳米晶粒结构的氧化铝基陶瓷涂层及其制备方法，从而进一步提高涂层的韧性、强度、耐磨损等机械性能。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的具有纳米晶粒结构的纳米氧化铝陶瓷涂层，由热喷涂方法制备得到，其喷涂物料组分中包括有氧化铝粉末，其特征在于，所述喷涂物料是由氧化铝粉末和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中，氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占总重量的25-80 wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。

本发明的具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层的制备方法，包括用热喷涂法将物料喷涂到基体上，其特征在于，制备过程是：

（1）配制混合细粉料：称取组分氧化铝、稀土氧化物，然后将各组分混合并加入酒精进行湿法球磨10-24小时，再烘干过筛，获得粒度为20-100μm的混合粉末。所述氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占总重量的25-80 wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合；

（2）制备玻璃颗粒：将混合细粉料通过等离子喷枪或氧乙炔喷枪熔融后直接喷射到常温净水中，例如蒸馏水或去离子水等，再烘干后过筛，得到熔化充分、结构均匀致密的粒度为20-100μm的氧化铝基玻璃颗粒；

（3）喷涂陶瓷涂层：使用大气等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺将氧化铝基玻璃颗粒喷涂到基体上，形成具有纳米结构的陶瓷涂层，该陶瓷涂层厚度在50μm-2mm。

本发明先制备出熔化充分、结构均匀致密的氧化铝基玻璃颗粒，然后将其作为喷涂原料通过热喷涂方法形成涂层，玻璃颗粒在重融冷却过程中产生结晶析出纳米晶粒。由于形成的晶粒是从玻璃基质中直接析出的，晶粒细小，因此整个涂层完全是分布均匀的纳米结构，而且采用玻璃前驱体纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能显著降低材料本征内应力。纳米晶粒还有阻止材料微裂纹扩展的作用，这种独特的结构使得涂层具有优良的结合强度和高耐磨损性等机械性能。相比现有的热喷涂氧化铝涂层，它还消除了由于团聚料的结构疏松所带来的气孔，同时，由于玻璃质熔点相对较低，其在熔融时有粘滞流动作用，这十分有利于形成更加致密的涂层。经检测，本发明涂层气孔率达到2%以下。

本发明的具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层，组分简单，原料易得，成本低廉；制备工艺简洁易操作，适于大规模化生产。

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

（1）配制混合细粉料：秤取50克氧化铝和氧化钇混合粉料（两者的重量百分配比是67:33），加入75毫升酒精和200克氧化铝磨球，湿法球磨混合24小时，然后100℃下烘干，过100目筛得到混合细粉料；

（2）制备玻璃颗粒：将前述混合细粉料通过大气等离子喷枪进行熔融，其参数为：氩气45 L/Min、氢气15 L/Min、电压85V、电流740A，熔融后的粉末直接喷射到蒸馏水中进行急速冷却，喷枪与水之间的喷涂距离为600 mm，粉末100℃烘干后过筛，粒度在20-100μm的粉末用于涂层喷涂；

（3）喷涂陶瓷涂层：使用304不锈钢作为基体材料进行涂层喷涂，喷涂前先对基体进行喷砂处理，去除表面污染物以及使表面粗糙化。喷涂使用大气等离子喷涂设备，把步骤（2）所得的玻璃颗粒均匀喷涂到基体上，形成厚度为50μm-100μm的涂层。另外还同时喷涂了一块200μm左右的涂层，以作比较用。喷涂参数为：氩气40 L/Min、氢气10 L/Min、电压68V、电流650A。

用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对本实施例获得的涂层进行测试，结果显示：通过等离子喷枪球化后得到的粉末为流动性好的球形颗粒，相结构分析显示为玻璃结构，涂层具有纳米结构，结构致密。

实施例2：

（1）配制混合细粉料：以氧化铝-氧化镧复合材料作为原料，（两者的重量百分配比是51.9:48.1），并按照实施例1所述方法，进行球磨混合制粉得到混合细粉料；

（2）制备玻璃颗粒：将上述混合细粉料通过氧-乙炔火焰喷枪进行熔融，其参数为：氧气12 L/Min、乙炔25 L/Min，熔融后的粉末直接喷射到蒸馏水中进行急速冷却，喷枪与水之间的喷涂距离为600 mm，粉末100℃烘干后过筛，得到粒度在20-100μm的玻璃颗粒；

（3）喷涂陶瓷涂层：按照实施例1所述方法，将步骤（2）所得玻璃颗粒喷涂到基体上形成涂层，涂层厚度500μm-600μm。另外还同时喷涂了一块200μm左右的涂层，以作比较用。

用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对本实施例获得的涂层进行测试，结果显示：通过氧-乙炔火焰喷枪球化后得到的粉末为球形颗粒，相结构分析显示为玻璃结构，整个涂层具有纳米结构，结构致密。

实施例3：

（1）配制混合细粉料：氧化铝-氧化钆复合材料作为原料，（两者的重量百分配比是48.5:51.5），并按照实施例1所述方法，进行球磨混合得到；

（2）制备玻璃颗粒：按照实施例1所述方法, 将步骤（1）所得粉末制成玻璃颗粒;

（3）喷涂陶瓷涂层：使用304不锈钢作为基体材料进行涂层喷涂，喷涂前对基体进行喷砂处理。喷涂使用超音速火焰喷涂（HVOF）设备，把步骤（2）所得的玻璃颗粒均匀喷涂到基体上，喷涂参数为：氧气240 L/Min、丙烷72 L/Min、压缩空气400 L/Min，形成的涂层厚度1500μm-1600μm。另外还同时喷涂了一块200μm左右的涂层，以作比较用。

用扫描电镜（SEM）和X射线衍射仪（XRD）对本实施例获得的涂层进行测试，结果显示：用超音速火焰喷涂方法制备的涂层具有纳米结构，结构致密。

为比较本发明实施例与现有技术陶瓷涂层的性能，先使用目前广泛应用的商用氧化钇稳定氧化锆（YSZ）粉末（美科公司生产, Metco 204）作为喷涂物料，按照实例1所述方法进行涂层喷涂，形成对照例样涂层，涂层厚度200μm左右。然后对实施例1、2、3的200μm左右的涂层和对照例涂层分别进行摩擦磨损试验，所用的仪器是摩擦磨损试验机（型号： S35ME）测试条件为常温干摩擦下，配副为不锈钢球。涂层结合强度按照ASTM C-633-79 方法测定。得到的数据记录在表1：

表1

样品种类	磨损量，g	结合强度，MPa
			实施例1	3.2	28.6
实施例2	3.0	31.7
			实施例3	2.8	30.4
对照例	12.8	16.7

从表1可以看出，实施例1、2、3的磨损量仅是对照例的1/4左右，结合强度达到对照例的一倍左右，这充分证明，本发明所得到的具有纳米晶粒结构的纳米氧化铝陶瓷涂层具有优良的结合强度和耐磨损性能。

Claims

1.一种具有纳米晶粒结构的纳米氧化铝陶瓷涂层，由热喷涂方法制备得到，其喷涂物料组分中包括有氧化铝粉末，其特征在于，所述喷涂物料是由氧化铝粉末和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中，氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占总重量的25-80 wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。

2.如权利要求1所述的具有纳米晶粒结构的氧化铝陶瓷涂层的制备方法，包括用热喷涂法将物料喷涂到基体上，其特征在于，制备过程是：

（1）配制混合细粉料：称取组分氧化铝、稀土氧化物，然后将各组分混合并加入酒精进行湿法球磨10-24小时，再烘干过筛，获得粒度为20-100μm的混合粉末；所述氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占总重量的25-80 wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合；

（2）制备玻璃颗粒：将混合细粉料通过等离子喷枪或氧乙炔喷枪熔融后直接喷射到常温净水中，再烘干后过筛，得到熔化充分、结构均匀致密的粒度为20-100μm的氧化铝基玻璃颗粒；

（3）喷涂陶瓷涂层：使用大气等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺将氧化铝基玻璃颗粒喷涂到基体上，形成具有纳米结构的陶瓷涂层，该陶瓷涂层厚度为50μm-2mm。