热喷涂氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及热喷涂氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层及其制备方法，所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层形成于金属基材上或形成于位于金属基材表面的应力过渡层上，且所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层包括α-Al2O3相、γ-Al2O3相、c-Y2O3相、m-Y2O3相以及由氧化铝和氧化钇原位生成的YxAlyOz相，所述YxAlyOz为Y3Al5O12、Y4Al2O9和/或YAlO3，其中α-Al2O3相与γ-Al2O3相的质量比为1：（2～3）。本发明专利技术采用热喷涂工艺制备的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，涂层结构致密，气孔率较低。Al2O3和Y2O3之间不固溶，在喷涂过程中可以原位生成YxAlyOz化合物，起到弥散增韧和强化相界面的作用，涂层层间界面结合较好，强韧性和抗热冲击性能获得改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及热喷涂氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层及其制备方法，属于耐磨陶瓷涂层

技术介绍
氧化物陶瓷材料具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等特点，表现出较好的综合性能，作为热喷涂涂层材料应用于高比压(即高PV值：P是接触压强；V是摩擦速率)、高温、富氧、强热冲击、强腐蚀等苛刻磨损服役工况具有较好的潜力，可以将金属基底和氧化物陶瓷涂层的优点相结合，有望获得良好的工程应用。然而，氧化物陶瓷塑韧性低，裂纹敏感性强，制约了其应用。以往的相关研究主要集中在提高氧化物陶瓷的强韧性，包括以下几个方面：①颗粒增韧，包含韧性相金属颗粒增韧和硬质相陶瓷颗粒增韧。常用于氧化物陶瓷增韧的颗粒材料主要有Ni、Al、Cu、SiC、TiC、TiB2等。韧性金属相的加入，可使裂纹尖端的应力集中得到释放，裂尖区域相应裂纹不容易形成，裂纹扩展阻力增大，即材料断裂韧性提高；硬质陶瓷相的加入，可通过细化基体晶粒和裂纹屏蔽作用，耗散裂纹前进动力，达到增韧目的。其工艺简便易行，且成本低，当颗粒的种类、尺寸、含量等参数选择适当，增韧效果是较为明显的。为了达到良好的增韧效果，颗粒纳米化是发展方向。②纤维(或晶须)增韧，高强度纤维(或晶须)作为第二相弥散分布于陶瓷基体时，通过两种方式进行增韧，一是使裂纹扩展途径出现拐折现象，从而增加断裂能；二是当纤维(或晶须)从基体中拉脱时，以拔出功的形式消耗部分能量，有利于阻止裂纹扩展。常用于氧化物陶瓷增韧的纤维(或晶须)有SiC纤维(或晶须)、Si3N4晶须、碳纤维和B纤维等。③相变增韧，它是利用四方相(t相)ZrO2马氏体相变转变为单斜相(m相)ZrO2所产生的体积和形状效应而吸收较多能量，从而使氧化物陶瓷材料表现出较高断裂韧性。④成分或结构梯度增韧，通过成分或结构变化形成梯度材料，可基本消除宏观界面，有效解决材料内部性能突变，达到缓和热应力的目的。热喷涂技术以其喷涂材料范围广泛、基底沉积温度范围宽、涂层厚度可控且范围大(几微米至几毫米)、工艺稳定性好、涂层质量可靠的优势成为制备陶瓷涂层的有效工艺方法，并已在航天、航空、汽车、机械、能源、冶金、石化、船舶等方面获得广泛的应用。上述四种典型的陶瓷增韧方法各有其特点，并已在陶瓷复合块材显示出较好的增韧效果，但这些方法与热喷涂工艺相结合时就体现出明显的局限性，具体表现在：①对于陶瓷复合块材，颗粒增韧要达到较好的增韧效果，其平均粒径应是亚微米级或纳米级。制备热喷涂陶瓷涂层应用较广泛的是等离子体喷涂工艺，等离子体喷涂是快速凝固过程。所喷涂陶瓷涂层晶粒尺寸通常在亚微米级，颗粒对复合涂层增韧效果并不明显。若使用粒径更小的纳米颗粒进行增韧，有望获得较好效果。经喷雾造粒的纳米颗粒可在复合涂层结构中存在，但纳米颗粒在涂层晶界或晶粒内部的比例难以控制，复合涂层强韧性变化范围大，力学性能重复性差，无法有效提高陶瓷涂层强韧性。②纤维(或晶须)增韧虽然可改善涂层的力学性能，但其长径比要大，且纤维(或晶须)要与基体之间保持适中的结合强度。然而，热喷涂过程中，粒子是熔化或半熔化状态，纤维(或晶须)的原始长径比、表面功能化处理及强度均难以保证。纳米纤维(或晶须)掺入时，也会遇到与前述纳米颗粒所面临相类似的问题。因此，纤维(或晶须)增韧较难与热喷涂工艺有效结合。③添加ZrO2或Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)也可用来增韧陶瓷涂层。这样所带来的问题是：ZrO2或YSZ的导热系数低，且热膨胀系数较大，在高温、高比压、强热冲击复合磨损工况条件下，很容易在涂层内部及涂层/基底界面上累积热应力，应力集中导致涂层微裂纹扩展，缩短了复合陶瓷涂层耐磨寿命。④梯度涂层增韧往往需要制备较多单层进行叠加，每一单层的厚度有限制，并需要进行不同的成分或结构控制，工艺很繁琐，难以满足实际要求，且梯度涂层整体的硬度和强度还不理想。以上传统陶瓷增韧手段与热喷涂工艺相结合难以有效提高氧化物陶瓷涂层强韧性。在单一组分氧化物耐磨陶瓷涂层中，Al2O3和Cr2O3涂层耐磨性能均优于ZrO2涂层。在较为苛刻的磨损工况下，Al2O3涂层的抗磨能力优于Cr2O3涂层，这主要由于前者具有更高的导热性能。因此，目前强韧化研究较多地针对热喷涂Al2O3涂层，主要有：①原料颗粒纳米化。采用喷雾造粒纳米Al2O3颗粒为原料得到的涂层，其力学性能优于传统微米级颗粒所对应的涂层。②添加金属相。第二相金属(如Al、Ni、Mo等)的添加提高了Al2O3涂层的断裂韧性和热导率，表现出较好的耐磨性能。③固溶强韧。较为典型的是Al2O3–TiO2和Al2O3–Cr2O3体系。TiO2熔点较低，形成的固溶体及部分TiO2易于在Al2O3涂层晶界处聚集，可改善涂层片层内部结合力，抑制横向裂纹扩展。Al2O3–Cr2O3复合涂层显示出比单一Al2O3涂层更好的力学、导热和耐磨性能。上述改善Al2O3涂层强韧性研究取得了一些进展，但仍存在一些问题：①在苛刻磨损工况所产生高摩擦热导致涂层纳米结构不稳定；②纳米结构陶瓷涂层晶界较多，对声子散射作用大，导致热导率下降，不利于苛刻磨损工况下应用；③添加金属相使涂层的硬度和强度下降，不利于其在苛刻工况下服役，且金属相与陶瓷基体的界面结合性能较难控制；④TiO2的加入使涂层高温蠕变阻力减小，高温力学性能下降；⑤固溶体在反复高低温服役环境下，会出现重新析出现象，破坏了喷涂态涂层中固溶体结构和性能。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的缺点，提供了热喷涂氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层及其制备方法，其目的是在高比压、高温、富氧、强热冲击等苛刻磨损服役工况下提高陶瓷涂层的致密性、力学性能、导热性能、层间结合性能及耐磨性能，可避免以往纳米结构、金属第二相添加、化合物固溶效应在上述苛刻磨损条件下对陶瓷涂层性能和服役寿命所带来的不利影响。为了达到这个目的，本专利技术提供了一种氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层形成于金属基材上或形成于位于金属基材表面的应力过渡层上，且所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层包括α-Al2O3相、γ-Al2O3相、c-Y2O3相、m-Y2O3相以及由氧化铝和氧化钇原位生成的YxAlyOz相，所述YxAlyOz为Y3Al5O12、Y4Al2O9和/或YAlO3，其中α-Al2O3相与γ-Al2O3相的质量比为1：(2～3)。本专利技术提供的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层中包括由氧化铝和氧化钇原位生成的YxAlyOz相，该YxAlyOz相可以起到弥散增韧和强化相界面的作用，涂层层间界面结合较...

【技术保护点】
一种氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层形成于金属基材上或形成于位于金属基材表面的应力过渡层上，且所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层包括α‑Al2O3相、γ‑Al2O3相、c‑Y2O3相、m‑Y2O3相以及由氧化铝和氧化钇原位生成的YxAlyOz相，所述YxAlyOz为Y3Al5O12、Y4Al2O9和/或YAlO3，其中α‑Al2O3相与γ‑Al2O3相的质量比为1：（2～3）。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层形成于金属基材上或形成于位于金属基材表面的应力过渡层上，且所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层包括α-Al2O3相、γ-Al2O3相、c-Y2O3相、m-Y2O3相以及由氧化铝和氧化钇原位生成的YxAlyOz相，所述YxAlyOz为Y3Al5O12、Y4Al2O9和/或YAlO3，其中α-Al2O3相与γ-Al2O3相的质量比为1：（2～3）。
2.根据权利要求1所述的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述α-Al2O3相的质量分数为9～24%。
3.根据权利要求1或2所述的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述c-Y2O3相的质量分数为9～29%，且m-Y2O3相与c-Y2O3相的质量比为1：（3～4）。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述YxAlyOz相质量分数为6～10%。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层，其特征在于，所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层厚度为250～500μm。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述氧化铝–氧化钇复合陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括：
（1）将金属基材进行预处理，包括对金属基材预喷涂表面进行粗糙化和净化处理；
（2）将氧化铝粉体和氧化钇粉体经机械混合均匀，得到的复合粉料；
（3）采用热喷涂将（2）所得复合粉料沉积在（1）所得预处理后的金属基材的表面，得到所述氧化铝–氧化钇复...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凯，荣建，刘晨光，赵华玉，庄寅，倪金星，邵芳，陶顺衍，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31