本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法；屬于冷噴涂陶瓷涂層制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明專利技術(shù)通過下述方案實現(xiàn)：將ZrO2與CeO2粉末按摩爾比為3-10：1混料后進(jìn)行干式球磨，得到平均晶粒尺寸為10-15nm、非晶粉末占ZrO2與CeO2粉末總摩爾質(zhì)量的5-20%的混合粉末，再將混合粉末在300-400℃預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面，得到陶瓷涂層；冷噴涂的條件為：以氮氣或氦氣為工作氣體，工作氣體溫度在350-550℃，壓力為10-29大氣壓；噴槍出口處距沉積基體材料表面距離為30-50mm。本發(fā)明專利技術(shù)一改以往通常需要添加塑性金屬等填料才能獲得冷噴涂陶瓷復(fù)合涂層的慣常做法，借助陶瓷粉末的納米化和非晶化技術(shù)，最終獲得孔隙率低于1.2%，沉積效率高于40%，涂層界面結(jié)合強度位于30-55MPa的ZrO2/CeO2陶瓷涂層。本發(fā)明專利技術(shù)工藝簡單，適于工業(yè)化生產(chǎn)。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)公開了；屬于冷噴涂陶瓷涂層制備
技術(shù)介紹
傳統(tǒng)熱噴涂過程主要依賴材料融化及快速固化，不可避免發(fā)生材料氧化、分解或組織變化。冷噴涂技術(shù)是一種新型的涂層沉積技術(shù)，冷噴涂過程主要依賴常溫高動能粉末粒子(5-50μπι)的高速(300-2000m/s)碰撞，在碰撞界面進(jìn)行的動能向熱能轉(zhuǎn)化過程中以達(dá)到使粉末顆粒與基體以及粉末顆粒間形成冶金結(jié)合而獲得涂層的目的。因為冷噴涂涂層的沉積主要依賴塑性粒子的高應(yīng)變(106_9/s)速率塑性變形，理論研究表明涂層沉積機制與碰撞界面的絕熱剪切不穩(wěn)定(ASI)變形有關(guān)，通過ASI區(qū)材料的粘流性特征實現(xiàn)碰撞界面材料的冶金結(jié)合。冷噴涂過程完全在遠(yuǎn)低于材料熔點條件下進(jìn)行，涂層中幾乎不存在熱應(yīng)力，且界面結(jié)合主要以冶金鍵結(jié)合特征為主，涂層粘附強度高于70MPa，明顯高于等離子熱噴涂涂層的結(jié)合強度(約20MPa)，且涂層致密度高，孔隙度低于1%。因為熱影響小，冷噴涂涂層中通常能保持原始粉末的化學(xué)成分及相結(jié)構(gòu)，有利于對特定材料的結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計。然而，因為冷噴涂過程主要依賴材料的塑性變形，以往進(jìn)行冷噴涂的材料通常是純金屬，即使在噴涂金屬陶瓷時，陶瓷顆粒也僅僅是依靠機械力鑲嵌在塑性金屬涂層基體中。我們知道，陶瓷材料在常溫條件下一般不具備塑性變形能力，所以目前還很難采用冷噴涂方法獲得純陶瓷涂層。一些陶瓷涂層的制備往往需要采用金屬材料填料或粘結(jié)齊U，陶瓷顆粒往往依靠機械力鑲嵌在金屬基體內(nèi)，在涂層應(yīng)用過程中陶瓷顆粒容易剝離造成摩擦副及涂層面的加速磨損。同時，陶瓷顆粒與金屬基體間的機械結(jié)合是涂層裂紋源頭，能造成涂層的快速破裂破壞，有時會導(dǎo)致噴涂后基體力學(xué)性能的降低。目前國內(nèi)外沉積冷噴涂陶瓷涂層的方法無非是兩種:一是通過加入金屬填料(如WC中加入Co、A1203中加入Al)最終制備金屬陶瓷涂層或者復(fù)合涂層，這種方法制備將改變陶瓷材料的組成；另一種是采用真空冷噴涂或者動力凝膠的方法制備陶瓷涂層，涂層厚度很難高于20 μ m,且因為是在真空等苛刻條件下進(jìn)行，很難對涂層結(jié)構(gòu)及形貌進(jìn)行控制和調(diào)整，不適合進(jìn)行高效率的大規(guī)模生產(chǎn)。目前使用傳統(tǒng)冷噴涂技術(shù)，在開放條件下制備純陶瓷涂層的技術(shù)國內(nèi)外尚未見報道，但該領(lǐng)域的研究卻吸引了學(xué)術(shù)及工業(yè)界的廣泛興趣，從近年來發(fā)展起來的旨在沉積陶瓷涂層的動力凝膠、真空冷噴涂及納米沉積等技術(shù)研究方法就足可窺見一斑。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的旨在提供一種操作性強，適用面廣，沉積的純陶瓷涂層致密度高、與基體結(jié)合強度高的冷噴涂制備 氧化鋯陶瓷涂層的方法。本專利技術(shù)，包括下述步驟:第一步，氧化鋯/氧化鈰陶瓷粉末的納米化、非晶化前處理將平均粒徑均為1-10 μ m的Zr02、CeO2粉末按摩爾比3_10: I混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度為10_15nm、非晶化轉(zhuǎn)變的混合粉末占ZrO2與CeO2粉末總摩爾質(zhì)量的5-20%，得到冷噴涂用Zr02+Ce02陶瓷粉末；第二步:冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層將第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末經(jīng)預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面；或?qū)⒌谝徊剿肸r02+Ce02陶瓷粉末經(jīng)噴霧造粒后預(yù)熱，預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面；所述預(yù)熱溫度為300-400°C ;冷噴涂工藝條件為:工作氣體為氮氣或氦氣，工作氣體溫度為350_550°C，工作氣體壓力為10_29個大氣壓；噴槍出口處距沉積基體材料表面距離為30-50mm。本專利技術(shù)，所述ZrO2粉末的初始晶粒度為80-100納米。本專利技術(shù)，第一步中，所述混料采用ZrO2粉末與CeO2粉末的直接混合或采用溶膠凝膠法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2。本專利技術(shù)所述的采用 溶膠凝膠法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2是通過下述方案實現(xiàn)的:按摩爾比Zr:Ce:聚二乙醇=3_10:1:2分別稱取ZrO2粉末、硝酸鈰(Ce (NO3)3- 6H20)、聚二乙醇，然后先將硝酸鈰充分溶入聚二乙醇中，在恒溫水浴80°C的條件下，攪拌形成半透明溶膠；然后加入ZrO2粉末，攪拌均勻后冷卻至室溫，得到Ce (OH) 3包覆ZrO2的凝膠；用無水乙醇洗滌凝膠，抽濾，得到濾餅，將濾餅在490-510°C焙燒，使凝膠中Ce (OH) 3充分脫水分解，冷卻至室溫，最終獲得ZrO2表面包覆有CeO2的復(fù)合粉末，復(fù)合粉末中CeO2粉層厚度大于3 μ m。溶膠凝膠法涉及的化學(xué)反應(yīng)如下:(I)溶膠制備過程反應(yīng):Ce3++30H~ ^tfc(2 )高溫烘焙過程反應(yīng):4( V(OH); + O7 贈 > 4( VO1 +6H2 t本專利技術(shù)，所述干式球磨采用大、中、小三種規(guī)格的磨球，磨球數(shù)量按大:中:小=1:2:3的比例配置，球料質(zhì)量比15-20:1以保證粉末在球磨過程中發(fā)生充分的固態(tài)變形，球磨時間20-60小時；球磨轉(zhuǎn)速為180-250r/min,球磨過程中每15-30min開啟球磨罐刮粉一次。本專利技術(shù)，大磨球直徑為8_12mm，中磨球直徑為6_9mm,小磨球直徑為3_6mm。本專利技術(shù)，第二步中，所述噴霧造粒工藝條件為:進(jìn)風(fēng)溫度225_250°C，出風(fēng)溫度110°C，所制備粉末顆粒的粒度為10-20 μ m、球形度彡70%ο本專利技術(shù)，冷噴涂時，送粉量6-15g/min,噴槍掃速50-150mm/min,可噴涂2層或更多層數(shù)(取決于對涂層厚度的要求)。本專利技術(shù)，聚二乙醇選自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)的聚二乙醇400。本專利技術(shù)，所制備的氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層孔隙率低于1.2%、界面結(jié)合強度為30-55MPa、涂層厚度20 μ m-70 μ m，無需特殊的前-后處理即可交付使用，但涂層表面粗糙度高于10 μ m。專利技術(shù)人根據(jù)近期在冷噴涂涂層沉積機制的基礎(chǔ)研究，了解到冷噴涂涂層的沉積過程主要依賴粉末表面高應(yīng)變速率變形過程中發(fā)生的相轉(zhuǎn)變過程，設(shè)計本專利技術(shù)方法，利用晶粒尺寸小于15納米的陶瓷顆粒，在高應(yīng)變速率變形過程中能夠進(jìn)一步提高涂層致密度、界面結(jié)合強度及涂層沉積效率；利用非晶粉末在過冷液相區(qū)的超塑性變形特點，一定的非晶含量能夠保證在粉末預(yù)熱條件下，非晶部分的超塑性變形能夠取代以往塑性金屬填料的角色，促進(jìn)粉末顆粒間的結(jié)合強度；實現(xiàn)陶瓷粉末的冷噴涂涂層沉積。本專利技術(shù)主要依賴陶瓷材料高應(yīng)變速率變形條件下的相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變特性，采用機械球磨的方法制備部分非晶化及超細(xì)納米化的陶瓷粉末，采用粉末低溫預(yù)熱的方法實現(xiàn)粉末在冷噴涂過程中的超塑性變形(或非晶粉末在過冷液相區(qū)的超塑性變形，部分非晶相可充當(dāng)傳統(tǒng)意義上的塑性金屬填料的角色)，以達(dá)到獲得冷噴涂純陶瓷涂層的目的。該方法在制備具有超高結(jié)合強度和高溫耐磨、耐腐蝕性能陶瓷薄膜方面具有顯著的優(yōu)勢，利用粉末高速碰撞以期獲得致密度高、結(jié)合牢固的陶瓷涂層；同時利用冷噴涂高速沉積的特性，能夠在低溫開放條件下獲得理想性能的涂層。其機理及優(yōu)點簡述于下:1、在ZrO2中引入CeO2，利用干式球磨工藝參數(shù)的設(shè)計匹配，制備出納米化及非晶化Zr02+Ce02陶瓷粉末。特別是定時開罐刮粉，以防止粉末粘罐，同時降低球磨溫度，在一定程度上降低已形成的非晶相逆向轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶的幾率，為后面冷噴涂過程中非晶相作為填料以提高粉末粒子間鍵合強度打下了基礎(chǔ)；隨球磨時間延長，粉末隨晶粒尺寸減小而塑性增加，因而在球磨后期需適當(dāng)降低刮粉間隔時間為15-20min。ZrO2中本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，其特征在于包括下述步驟：第一步，氧化鋯/氧化鈰陶瓷粉末的納米化、非晶化前處理將平均粒徑均為1?10μm的ZrO2、CeO2粉末按摩爾比3?10：1混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度為10?15nm、非晶化轉(zhuǎn)變的混合粉末占ZrO2與CeO2粉末總摩爾質(zhì)量的5?20%，得到冷噴涂用ZrO2+CeO2陶瓷粉末；第二步：冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層將第一步所得ZrO2+CeO2陶瓷粉末經(jīng)預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面；或?qū)⒌谝徊剿肸rO2+CeO2陶瓷粉末經(jīng)噴霧造粒后預(yù)熱，預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面；所述預(yù)熱溫度為300?400℃；冷噴涂工藝條件為：工作氣體為氮氣或氦氣，工作氣體溫度為350?550℃，工作氣體壓力為10?29個大氣壓；噴槍出口處距沉積基體材料表面距離為30?50mm。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，其特征在于包括下述步驟: 第一步，氧化鋯/氧化鈰陶瓷粉末的納米化、非晶化前處理 將平均粒徑均為1-10 μ m的Zr02、Ce02粉末按摩爾比3_10:1混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度為10-15nm、非晶化轉(zhuǎn)變的混合粉末占ZrO2與CeO2粉末總摩爾質(zhì)量的5-20%，得到冷噴涂用Zr02+Ce02陶瓷粉末； 第二步:冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層 將第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末經(jīng)預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面；或 將第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末經(jīng)噴霧造粒后預(yù)熱，預(yù)熱后冷噴涂在基體材料表面； 所述預(yù)熱溫度為300-400°C ； 冷噴涂工藝條件為: 工作氣體為氮氣或氦氣，工作氣體溫度為350-550°C，工作氣體壓力為10-29個大氣壓；噴槍出口處距沉積基體材料表面距離為30-50mm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，其特征在于:所述ZrO2粉末的初始晶粒度為80-100納米。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，其特征在于:第一步中，所述混料采用ZrO2粉末與CeO2粉末的直接混合或采用溶膠凝膠法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，其特征在于:所述的采用溶膠凝膠法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2是通過下述方案實現(xiàn)的: 按摩爾比Zr =Ce:聚二乙醇=3-10:1:2分別稱取ZrO2粉末、硝酸鈰(Ce (NO3) 3.6H20)、聚二乙醇，然后先將硝酸鈰充分溶入聚二乙醇中，在恒溫水浴80°...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：熊玉明，李松林，王磊，熊翔，
申請(專利權(quán))人：中南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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