專利名稱：具有納米晶粒結構的氧化鋁陶瓷涂層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及氧化鋁陶瓷涂層及其制備技術，尤其涉及一種具有納米晶粒結構的氧化鋁陶瓷涂層和制備方法。
背景技術：
熱噴涂氧化鋁涂層具有優良的機械和電學性能，用作抗磨損、耐腐蝕和高溫隔熱涂層，在機械、化工、冶金等領域得到了廣泛應用。利用納米結構來改善涂層性能已成為氧化鋁陶瓷涂層研究的方向，用熱噴涂技術制備的納米結構氧化鋁涂層與傳統涂層相比，在強度、韌性、抗腐蝕、耐磨、抗熱疲勞等方面均有顯著提高。自上世紀90年代以來，熱噴涂納米氧化鋁涂層已經取得了快速發展。但是，納米氧化鋁涂層在涂層結構以及性能方面仍存在著一些問題(1)納米顆粒的燒結長大問題。納米粒子比表面積大，表面活性高，致使熔點下降，噴涂過程中容易燒結長大而改變性狀，最終影響到涂層中納米晶結構的保持， 所以熱噴涂制備的納米氧化鋁涂層通常只是具有部分的納米結構；(2)涂層質量問題。在等離子噴涂中，由于火炬存在很寬的溫度梯度分布，原料顆粒在火炬中的熔化狀態、溫度分布、冷卻速度等不可能完全相同，很難保證所有的原料都能處在優化的工藝條件下，因而很難得到結構均勻、致密的涂層。同時，作為噴涂原料的團聚顆粒往往致密度較差，內部的氣孔會在涂層中殘留下來，導致涂層內部微觀結構的不均勻，以及致密度差，最終影響涂層的性能。通常，等離子噴涂的陶瓷涂層的氣孔率都在3-5%，甚至更高。

發明內容
本發明的目的是，針對現有技術中的不足，提供一種具有納米晶粒結構的氧化鋁基陶瓷涂層及其制備方法，從而進一步提高涂層的韌性、強度、耐磨損等機械性能。本發明的目的通過以下方式實現。本發明的具有納米晶粒結構的納米氧化鋁陶瓷涂層，由熱噴涂方法制備得到，其噴涂物料組分中包括有氧化鋁粉末，其特征在于，所述噴涂物料是由氧化鋁粉末和稀土氧化物混合融化經急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中，氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占總重量的25-80 wt% ；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、 氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。本發明的具有納米晶粒結構的氧化鋁陶瓷涂層的制備方法，包括用熱噴涂法將物料噴涂到基體上，其特征在于，制備過程是
(1)配制混合細粉料稱取組分氧化鋁、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進行濕法球磨IO-M小時，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的混合粉末。所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占總重量的25-80 wt% ；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；
(2)制備玻璃顆粒將混合細粉料通過等離子噴槍或氧乙炔噴槍熔融后直接噴射到常溫凈水中，例如蒸餾水或去離子水等，再烘干后過篩，得到熔化充分、結構均勻致密的粒度為20-100 μ m的氧化鋁基玻璃顆粒；
(3)噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基玻璃顆粒噴涂到基體上，形成具有納米結構的陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度在50ym-2mm。本發明先制備出熔化充分、結構均勻致密的氧化鋁基玻璃顆粒，然后將其作為噴涂原料通過熱噴涂方法形成涂層，玻璃顆粒在重融冷卻過程中產生結晶析出納米晶粒。由于形成的晶粒是從玻璃基質中直接析出的，晶粒細小，因此整個涂層完全是分布均勻的納米結構，而且采用玻璃前驅體納米化得到的納米晶粒之間的晶界干凈，能顯著降低材料本征內應力。納米晶粒還有阻止材料微裂紋擴展的作用，這種獨特的結構使得涂層具有優良的結合強度和高耐磨損性等機械性能。相比現有的熱噴涂氧化鋁涂層，它還消除了由于團聚料的結構疏松所帶來的氣孔，同時，由于玻璃質熔點相對較低，其在熔融時有粘滯流動作用，這十分有利于形成更加致密的涂層。經檢測，本發明涂層氣孔率達到m以下。本發明的具有納米晶粒結構的氧化鋁陶瓷涂層，組分簡單，原料易得，成本低廉； 制備工藝簡潔易操作，適于大規?；a。下面結合實施例對本發明的技術方案作進一步說明。
具體實施例方式實施例1
(1)配制混合細粉料秤取50克氧化鋁和氧化釔混合粉料(兩者的重量百分配比是 67:33)，加入75毫升酒精和200克氧化鋁磨球，濕法球磨混合M小時，然后100°C下烘干， 過100目篩得到混合細粉料；
(2)制備玻璃顆粒將前述混合細粉料通過大氣等離子噴槍進行熔融，其參數為氬氣45 L/Min、氫氣15 L/Min、電壓85V、電流740A，熔融后的粉末直接噴射到蒸餾水中進行急速冷卻，噴槍與水之間的噴涂距離為600 mm，粉末100°C烘干后過篩，粒度在20-100 μ m 的粉末用于涂層噴涂；
(3)噴涂陶瓷涂層使用304不銹鋼作為基體材料進行涂層噴涂，噴涂前先對基體進行噴砂處理，去除表面污染物以及使表面粗糙化。噴涂使用大氣等離子噴涂設備，把步驟(2) 所得的玻璃顆粒均勻噴涂到基體上，形成厚度為50 μ m-100 μ m的涂層。另外還同時噴涂了一塊200μπι左右的涂層，以作比較用。噴涂參數為氬氣40 L/Min、氫氣10 L/Min、電壓 68V、電流 650A。用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實施例獲得的涂層進行測試，結果顯示通過等離子噴槍球化后得到的粉末為流動性好的球形顆粒，相結構分析顯示為玻璃結構，涂層具有納米結構，結構致密。實施例2:
(1)配制混合細粉料以氧化鋁-氧化鑭復合材料作為原料，(兩者的重量百分配比是 51.9:48. 1)，并按照實施例1所述方法，進行球磨混合制粉得到混合細粉料；
(2)制備玻璃顆粒將上述混合細粉料通過氧-乙炔火焰噴槍進行熔融，其參數為氧氣12 L/Min、乙炔25 L/Min，熔融后的粉末直接噴射到蒸餾水中進行急速冷卻，噴槍與水之間的噴涂距離為600 mm，粉末100°C烘干后過篩，得到粒度在20-100 μ m的玻璃顆粒；
(3)噴涂陶瓷涂層按照實施例1所述方法，將步驟(2)所得玻璃顆粒噴涂到基體上形成涂層，涂層厚度500 μ m-600 μ m。另外還同時噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作比較用。用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實施例獲得的涂層進行測試，結果顯示通過氧-乙炔火焰噴槍球化后得到的粉末為球形顆粒，相結構分析顯示為玻璃結構，整個涂層具有納米結構，結構致密。實施例3:
(1)配制混合細粉料氧化鋁-氧化釓復合材料作為原料，(兩者的重量百分配比是 48.5:51. 5)，并按照實施例1所述方法，進行球磨混合得到；
(2)制備玻璃顆粒按照實施例1所述方法，將步驟(1)所得粉末制成玻璃顆粒；
(3)噴涂陶瓷涂層使用304不銹鋼作為基體材料進行涂層噴涂，噴涂前對基體進行噴砂處理。噴涂使用超音速火焰噴涂(HVOF)設備，把步驟(2)所得的玻璃顆粒均勻噴涂到基體上，噴涂參數為氧氣MO L/Min、丙烷72 L/Min、壓縮空氣400 L/Min，形成的涂層厚度1500μπι-1600μπι。另外還同時噴涂了一塊200 μ m左右的涂層，以作比較用。用掃描電鏡(SEM)和X射線衍射儀(XRD)對本實施例獲得的涂層進行測試，結果顯示用超音速火焰噴涂方法制備的涂層具有納米結構，結構致密。為比較本發明實施例與現有技術陶瓷涂層的性能，先使用目前廣泛應用的商用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)粉末(美科公司生產，Metco 204)作為噴涂物料，按照實例1所述方法進行涂層噴涂，形成對照例樣涂層，涂層厚度200 μ m左右。然后對實施例1、2、3的200 μ m 左右的涂層和對照例涂層分別進行摩擦磨損試驗，所用的儀器是摩擦磨損試驗機(型號 S35ME)測試條件為常溫干摩擦下，配副為不銹鋼球。涂層結合強度按照ASTM C-633-79方法測定。得到的數據記錄在表1
表權利要求
1.一種具有納米晶粒結構的納米氧化鋁陶瓷涂層，由熱噴涂方法制備得到，其噴涂物料組分中包括有氧化鋁粉末，其特征在于，所述噴涂物料是由氧化鋁粉末和稀土氧化物混合融化經急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中，氧化鋁的重量占總重量的20_75wt%，稀土氧化物的重量占總重量的25-80 wt% ；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、 氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。
2.如權利要求1所述的具有納米晶粒結構的氧化鋁陶瓷涂層的制備方法，包括用熱噴涂法將物料噴涂到基體上，其特征在于，制備過程是(1)配制混合細粉料稱取組分氧化鋁、稀土氧化物，然后將各組分混合并加入酒精進行濕法球磨IO-M小時，再烘干過篩，獲得粒度為20-100 μ m的混合粉末；所述氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占總重量的25-80 wt% ；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合；(2)制備玻璃顆粒將混合細粉料通過等離子噴槍或氧乙炔噴槍熔融后直接噴射到常溫凈水中，再烘干后過篩，得到熔化充分、結構均勻致密的粒度為20-100 μ m的氧化鋁基玻璃顆粒；(3)噴涂陶瓷涂層使用大氣等離子噴涂工藝或超音速火焰噴涂工藝將氧化鋁基玻璃顆粒噴涂到基體上，形成具有納米結構的陶瓷涂層，該陶瓷涂層厚度為50ym-2mm。
全文摘要
本發明涉及氧化鋁陶瓷涂層及其制備技術。其涂層由熱噴涂方法制備得到，其噴涂物料是由氧化鋁粉末和稀土氧化物混合融化經急速冷卻形成的玻璃顆粒，其中，氧化鋁的重量占總重量的20-75wt%，稀土氧化物的重量占總重量的25-80wt%；所述稀土氧化物是氧化釔、氧化鑭、氧化釓、氧化鈰、氧化鏑、氧化釹、氧化銪中的任意一種或兩種以上的組合。制備過程是(1)配制氧化鋁粉末和稀土氧化物的混合細粉料；(2)制備粒度為20-100μm的氧化鋁基玻璃顆粒；(3)將玻璃顆粒熱噴涂到基體上，形成納米結構涂層。本發明以結構均勻致密的氧化鋁基玻璃顆粒作為噴涂原料，因此涂層中氣孔率在2%以下，具有優良的結合強度和高耐磨損性等機械性能。
文檔編號C23C4/10GK102409280SQ20111039287
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月1日 優先權日2011年12月1日
發明者汪灝, 程敬卿 申請人:安徽禹恒材料技術有限公司