沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法，涉及材料加工、机械制造等领域。该方法以陶瓷粉末为原料，将粉末颗粒加热到熔化状态，并将基体表面加热至与材料对应的一定温度条件之上，进行致密陶瓷涂层的制备。该方法制备的致密结构陶瓷材料涂层的材料原料选择范围广、沉积粒子结合充分、孔隙率小，具有与块体材料相当的优越耐冲蚀、高应力磨料磨损等服役性能。本发明专利技术提供了一种等离子喷涂沉积粒子间结合充分的致密陶瓷制备新方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料加工及机械制造领域，涉及一种基于等离子喷涂法制备致密陶瓷涂层的方法，具体涉及一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
等离子喷涂是制备高性能陶瓷涂层、提高材料服役性能或服役材料表面特殊功能的重要方法。在制备涂层时，将粉末颗粒送进作为热源的等离子射流中，被加热至熔融或接近熔融的状态，依次碰撞在基体表面堆积而形成涂层。因此，涂层由源于熔融或半熔态的粒子变形形成的圆盘状粒子堆积而成，呈现层状结构；而这种具有层状结构的喷涂涂层内的粒子层之间的界面结合状态显著影响着或甚至控制着涂层的各种性能。有研究表明，无论是金属涂层，还是热喷涂陶瓷涂层，涂层的粒子层间结合率非常有限，最大仅为32％(见文献1：Li and Ohmori,J.Thermal Spray Technol.,2002,Vol.11,pp.365-374)，而涂层的各种力学性能(如弹性模量、断裂韧性、冲蚀磨损率)、电导率、热导率等都受到涂层内粒子层之间的界面的有限结合的控制，从而表现涂层的上述性能均为相应块体性能的10％～30％(如文献2：Kuroda and Clyne,Thin Solid Films,1991,Vol.200,pp.49-66；前述文献1)。这不仅使得涂层的耐磨损性能，如耐冲蚀性能(如文献3：Li等,Wear,2006,Vol.260,pp.1166-1172)、空蚀、微动、疲劳、高应力磨料磨损性能显著低于同类块体，从而使得陶瓷材料优越的耐磨损性能难以发挥；另一方面，未结合界面与其它类型的孔隙相互连通构成从涂层表面贯通至涂层/基体界面的贯通孔隙，使得涂层不能完全阻挡隔离腐蚀介质与基体合金的接触，从而使耐腐蚀性能优越的陶瓷材料制备的喷涂态涂层难以直接用作耐腐蚀涂层。大量的研究表明，通过优化热喷涂参数，如上所述典型文献中所给出，并不能显著提高沉积粒子层间的结合状态，这是由于粒子沉积时的结合界面取决于熔融粒子碰撞前的温度与基体在碰撞时的表面温度。然而，由于喷涂粒子的加热是在加速过程中进行，而任何面向提高粒子加热效果的喷涂参数的改变，都伴随着增加粒子速度的效应，使得加热时间短缩，从而无法大幅度提高粒子温度。另一方面，按惯例作为常规且已广泛应用的热喷涂实践中，为降低涂层材料与基体的线膨胀系数差异引起的所谓热应力，通常在喷涂过程中需要采用压缩空气冷却等方式降低因高温涂层材料沉积而引起的温升，由此使得熔融粒子碰撞前的温度保持在较低的水平，以上两方面因素的作用，使得等离子喷涂的陶瓷涂层，其中的逐层沉积的粒子层间的结合有限，最大约为32％。考虑到基体温度的提升可能增强粒子与基体的结合，尽管也有研究表明提高熔融粒子碰撞前的基体温度，可增强陶瓷粒子的结合，然而，依据迄今的研究并不知道，针对特定陶瓷粒子材料，究竟将基体表面温度加热至什么温度才能保证足够的粒子间结合。综上所述，目前尚未有充分系统的研究成果，即使对基体预热也主要是以去除表面以吸附水分为主的吸附物，没有针对特定的材料给出可以确保熔融粒子沉积时充分连接在一起的预热温度。因此，没有充分确保等离子喷涂沉积陶瓷粒子间结合的基体表面温度值的确定方法。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法，该方法可以显著提高等离子喷涂陶瓷涂层的耐磨损或耐腐蚀性能，或其他基于物理化学性能的应用效能；经该方法制得的致密结构陶瓷材料涂层沉积粒子结合充分，孔隙率小，具有与块体材料相对应的优越耐冲蚀，高应力磨料磨损等服役性能。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，采用等离子射流作为热源，将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔融状态，并同时通过等离子射流的加速效应形成高速粒子束流；将基体表面温度控制在一定温度以上的条件下，在大气氛围下，高速粒子束流喷射在基体表面，使铺展扁平化的陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合而不断累加形成等离子喷涂致密陶瓷涂层。所述将基体表面温度控制在一定温度TD以上，该温度TD是根据材料熔点Tm，由公式TD＝0.58xTm-890℃计算得出。基体表面温度通过基体整体预热保证，或者通过辅助热源、激光、火焰或等离子射流在喷涂粒子束流前方加热保证，或者通过等离子喷涂所用的等离子射流的原位加热效应保证。陶瓷粉末颗粒选用熔点从约1000℃到3000℃以上的不同种类的氧化物陶瓷粉末材料；陶瓷粉末颗粒的尺寸分布为10～100μm。基体表面为涂层沉积开始时的基体表面，或者为涂层沉积中的前面已沉积的陶瓷涂层表面。基体材料为金属合金材料或者无机陶瓷材料。其特征在于，基体的结构几何形状为平面、圆柱面、圆锥面或是变曲率的其它曲面表面。铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合的结合率达到60％以上。本专利技术还公开了采用上述的方法制得的等离子喷涂致密陶瓷涂层，所述的致密陶瓷涂层，可用于耐磨损、耐冲蚀、耐腐蚀等保护涂层而显著提升保护效果，或可以用作离子导电、或电子导电、或导热等功能涂层显著提升传导性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，该方法以陶瓷粉末为原料，将粉末颗粒加热到熔化状态，并将基体表面加热至与材料对应的一定温度条件之上，进行致密陶瓷涂层的制备，是在大气气氛下，基于等离子喷涂方法实现制备的，其关键是针对不同的陶瓷材料，是在对基体表面温度控制的条件下制备致密的陶瓷涂层。熔融粒子碰撞基体时在整个界面充分形成结合所需要的最低温度与材料的熔点具有良好线性对应关系，由此确立了通过控制基体表面温度而获得沉积粒子充分形成化学结合的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法。本专利技术的方法可以显著提高等离子喷涂陶瓷涂层的耐磨损或耐腐蚀性能，或其他基于物理化学性能的应用效能。经本专利技术方法制备的致密结构陶瓷材料涂层材料原料选择范围广、沉积粒子结合充分、孔隙率小，具有优越的耐冲蚀、高应力磨料磨损等服役性能。附图说明图1为实施例1中在大气气氛下等离子喷涂沉积的YSZ涂层断面结构；图2为采用传统的方式在用压缩空气冷却过程中等离子喷涂的YSZ涂层断面结构；图3为实施例2在大气气氛下等离子喷涂沉积的LZO涂层断面组织；其中，(a)为低倍下的断面组织；(b)为高倍下拍摄的断面组织；图4为实施例3在大气气氛下等离子喷涂沉积的Al2O3涂层断面组织；其中，(a)为低倍下的断面组织；(b)为高倍下拍摄的断面组织；图5为采用传统的方式在用压缩空气冷却过程中等离子喷涂的Al2O3涂层断面结构；图6为实施例4在大气气氛下等离子喷涂沉积的TiO2涂层断面组织。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。本专利技术经过大量的系统研究发现，熔融粒子碰撞基体时在整个界面充分形成结合所需要的最低温度与材料的熔点具有良好线性对应关系，由此确立了通过控制基体表面温度而获得沉积粒子充分形成化学结合的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法。该制备方法是在大气气氛下，基于等离子喷涂方法实现制备的，其关键是针对不同的陶瓷材料，是在对基体表面温度控制的条件下制备致密的陶瓷涂层。首先，表1给出了几种典型陶瓷材料的熔点与所需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其特征在于，采用等离子射流作为热源，将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔融状态，并同时通过等离子射流的加速效应形成高速粒子束流；将基体表面温度控制在一定温度以上的条件下，在大气氛围下，将高速粒子束流喷射在基体表面，使铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合而不断累加形成等离子喷涂致密陶瓷涂层。

【技术特征摘要】
1.一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其特征在于，采用等离子射流作为热源，将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔融状态，并同时通过等离子射流的加速效应形成高速粒子束流；将基体表面温度控制在一定温度以上的条件下，在大气氛围下，将高速粒子束流喷射在基体表面，使铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合而不断累加形成等离子喷涂致密陶瓷涂层。2.根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其特征在于，所述将基体表面温度控制在一定温度以上，该温度TD是根据材料熔点Tm，由公式TD＝0.58xTm-890℃计算得出。3.根据权利要求2所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其特征在于，基体表面温度通过基体整体预热保证，或者通过辅助热源、激光、火焰或等离子在喷涂粒子束流前方加热保证，或者通过等离子喷涂所用的等离子射流的原位加热效应保证。4.根据权利要求1所述的沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长久，姚树伟，杨冠军，李成新，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61