一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法技术

一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，涉及一种增材制造用陶瓷粉体材料的制备方法。本发明专利技术是为了解决目前增材制造用陶瓷粉体材料无法同时具备耐磨、抗蚀、减摩和自润滑功能的技术问题。本发明专利技术：①球磨混粉；②喷雾干燥；③松装烧结致密化处理；④对相对致密的复合粉体进行二次造粒得到较为致密的复合粉体；⑤采用等离子技术对二次造粒粉体进行处理；⑥过筛。本发明专利技术制备的纳米陶瓷粉体材料具有优良的减摩耐磨抗蚀性能，适用于各种增材制造技术尤其是热喷涂技术领域，如作为各种热喷涂陶瓷工作面层材料，尤其可作为用于军舰、潜艇、航空母舰等高端装备上的具有减摩耐磨抗蚀需求的零部件上用的涂层材料。

A preparation method of modified antifriction and abrasion resistant nano ceramic powder for material making

The invention relates to a preparation method of modified friction reducing, abrasion resistant and corrosion resistant nano ceramic powder material for added material manufacturing, and relates to a preparation method of ceramic powder material for adding material manufacturing. The present invention is to solve the technical problems that the ceramic powder material used in the present material making can not have the functions of wear resistance, corrosion resistance, antifriction and self lubrication at the same time. The invention of the milling powder; spray drying; the loose Sintering Densification Process; the relative densification of the composite powders were two granulation by composite powder is more compact; the plasma technology for processing two granulation powder; the sieving. Nano ceramic powder material prepared by the invention has excellent anti friction and wear resistance corrosion resistance, suitable for all kinds of additional material manufacturing technology especially thermal spraying technology, such as various kinds of hot spraying ceramic working surface material, especially used as the coating material has the advantages of antifriction wear and corrosion resistance of the warships, submarines, spare parts demand the aircraft carrier and other high-end equipment on the use of.

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法
本专利技术涉及一种增材制造用陶瓷粉体材料的制备方法。
技术介绍
现代热喷涂尤其是等离子喷涂作为材料表面强化与改性的先进技术，能通过喷涂获得不同材质的涂层来提高被保护基体材料的耐磨、耐蚀、耐温等性能，可在不改变整体材料性能的前提下实现对关键部件的防护。等离子喷涂技术可用于金属、陶瓷及复合材料涂层的制备，其中陶瓷涂层因具有高硬度、高耐磨耐蚀等优点而广泛应用于海洋环境中运动部件的表面防护，尤其是舰船、潜艇、航母装备上的关键部件，和海洋装备中钻井套管、作业泵和管件等运动部件的强化。热喷涂技术就是表面工程中的一种重要技术手段，它被普遍应用于航空航天，冶金等相关领域。等离子喷涂作为一种将等离子电弧作为热源的热喷涂方法，在利用热源将预处理后的基体材料加热后，通过喷枪将喷涂颗粒伴随着等离子焰流以熔融或半熔融状态高速喷射在基体表面，并形成一层致密的涂层。在热喷涂纳米涂层技术中，通过球磨混粉、喷雾干燥团聚、高温烧结致密化等手段，将所需成分组成的纳米尺度的初始粉体制备成满足热喷涂要求的纳米结构可喷涂粉体喂料的过程就是所谓的纳米粉体再造粒。不仅可喷涂粉体喂料的成分和组织结构，还有可喷涂粉体喂料的致密度和流动性都将直接影响涂层的最终性能。可喷涂粉体喂料致密度越高，由其制备的涂层也越致密，于是涂层的力学性能就会更好。此外，粉体喂料的流动性还会影响到沉积效率。在液料喷涂技术出现之前，若是没有纳米粉体再造粒技术，也就不可能得到纳米结构的热喷涂涂层。重要的还有，可喷涂粉体喂料的成分和纳微观组织结构也可以通过纳米粉体再造粒过程进行调控，于是就能够获得不同所需性能的纳米结构热喷涂涂层。陶瓷材料性能优异，具有高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、低热膨胀系数和低摩擦系数等特性，并且具有较高的熔点，恰好可以利用等离子喷涂焰流能量集中、温度高的特点，将陶瓷粉体用作等离子喷涂原料以制备成具有相应性能的涂层。在多种陶瓷涂层中，Al2O3/TiO2复合氧化物陶瓷涂层在军舰、潜艇、和航空母舰设备上的数百种零部件上获得了广泛应用(如潜艇进气和排气阀件、舱门支杆、气体透平机的螺旋泵转子和燃料泵部件等)。其中Al2O3是较为重要的一种氧化物陶瓷涂层材料，它具有涂层硬度高、耐腐蚀性强等特点，并且具有很强的绝缘性。但Al2O3涂层脆性大，对应力或缺陷十分敏感，因此在工程应用当中会受到很多局限。通过添加TiO2粉末，可以增强Al2O3涂层的韧性，等离子喷涂Al2O3/TiO2陶瓷涂层较纯Al2O3陶瓷涂层机械物理性能得到明显改善。2000年，一篇题为“AbrasiveWearCharacteristicsofPlasmaSprayedNanostructuredAlumina/TitaniaCoatings”的文章发表在国际杂志《Wear》上，这篇文章详细叙述了纳米陶瓷粉体的再造粒和热喷涂Al2O3/TiO2纳米陶瓷涂层的制备过程，研究了涂层的微观组织结构，尤其是探讨了改性材料的添加如何影响涂层摩擦磨损行为的机理。这篇文章是热喷涂纳米涂层方面最早的文字文献。如今，有关热喷涂纳米涂层方面的论文与专利数量十分可观，纳米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方向。在这一研究领域中的热点研究有纳米结构耐磨抗蚀陶瓷涂层、热喷涂的纳米结构热障涂层、纳米结构WC/Co基涂层、纳米结构可磨耗封严涂层、纳米结构抗高温腐蚀烧蚀涂层、纳米结构功能涂层、纳米结构生物涂层、纳米结构自润滑涂层、纳米结构防滑涂层、纳米改性合金或陶瓷涂层、液料喷涂陶瓷涂层等。而纳米结构涂层的多功能化无疑是材料工作者和表面工程技术人员追求的目标。纳米石墨特别是石墨烯的制备成功，就使得我们将耐磨、抗蚀和减摩、自润滑等诸多功能同时融入在一种涂层中成为可能。因为纳米石墨具有密排六方结构，润滑性能较好，且有较大的比表面积，在掺杂浓度较低时亦能起到很好的增强效果，由于纳米尺寸效应，会增强涂层和基体的吸附作用，使涂层更加致密，有利于提高涂层耐磨及耐蚀性能。故向陶瓷涂层中添加一定量的纳米石墨，可进一步提高涂层的耐磨性能及耐蚀性能。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其内部碳原子紧密排列构成二维蜂巢状晶格，正是这种稳定的结构赋予了石墨烯极为优异的性能：极强的韧性、透明度和导电性。石墨烯能够拉伸20％而不断裂，具有高达97％的光透过率和仅仅几十欧姆的面电阻。研究显示石墨烯具有优异的润滑和抗磨性能，可作为各种材质微/纳器件的抗黏、减摩防护薄膜，在纳米复合材料系统中具有很大的潜在应用价值。如对于陶瓷/石墨烯块体复合材料,由于制备复杂困难,有关的研究较少。石墨烯可大幅度提高陶瓷块体复合材料的机械性能，特别是断裂韧性方面效果显著。Wang等[1WANGK,WANGYF,WEIT,etal.Preparationofgraphemenanosheet/aluminacompositesbysparkplasmasintering.MaterialsResearchBulletin,2011,46(2):315–318.]直接混合粉体后,通过SPS制备了Al2O3/GNS(石墨烯纳米片)块体复合材料。结果表明，GNSs可以细化Al2O3晶粒，而且GNSs在Al2O3基体中均匀分散。Walker等[2WALKERLS,MAROTTOVR,RAFIEEMA,etal.Tougheningingrapheneceramiccomposites.ACSNano,2011,4(5):3182–3190.]通过SPS法制备了Si3N4/GPL陶瓷块体复合材料，当Si3N4/GPL(石墨烯片)块体复合材料中GPLs含量为1.5vol％时，复合材料的断裂韧性从2.8增加到6.6MPa·m1/2。在石墨烯增强陶瓷涂层的摩擦学性能研究方面，李虹庆[3李虹庆.石墨烯增强陶瓷基复合涂层的摩擦学行为及细胞相容性研究[D].中国科学院大学,2014.]将石墨烯纳米片(GNs)作为增强剂改善ZrO2和CaSiO3陶瓷的摩擦学性能，结果表明，ZrO2/GNs复合涂层的磨损率比ZrO2涂层低50％，随载荷增加，ZrO2/GNs复合涂层的摩擦系数和磨损率均逐渐减小。对磨痕成分和形貌进行观察，发现ZrO2/GNs涂层表面在对磨过程中形成了GNs富集的连续转移层，分散其中的GNs对涂层表面起增韧作用，阻止了磨损向涂层内部进一步扩张。
技术实现思路
本专利技术是为了解决目前增材制造用陶瓷粉体材料无法同时具备耐磨、抗蚀、减摩和自润滑功能的技术问题，而提供一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法。本专利技术的增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法是按以下步骤进行的：①球磨混粉：采用机械混粉法将纳米改性剂和纳米陶瓷粉末进行混合搅拌，然后加入聚乙烯醇水溶液，再搅拌均匀制成浆料；所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为10％；所述的聚乙烯醇水溶液与纳米陶瓷粉末的质量比为1:(10～100)；所述的纳米改性剂为纳米石墨、石墨烯或纳米石墨与石墨烯的混合物；所述的纳米改性剂和纳米陶瓷粉末的质量比为1:(4～50)；所述的纳米石墨与石墨烯的混合物中纳米石墨的质量分数为1％～99％；②喷雾干燥：通过喷雾干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法是按以下步骤进行的：①球磨混粉：采用机械混粉法将纳米改性剂和纳米陶瓷粉末进行混合搅拌，然后加入聚乙烯醇水溶液，再搅拌均匀制成浆料；所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为10％；所述的聚乙烯醇水溶液与纳米陶瓷粉末的质量比为1:(10～100)；所述的纳米改性剂为纳米石墨、石墨烯或纳米石墨与石墨烯的混合物；所述的纳米改性剂和纳米陶瓷粉末的质量比为1:(4～50)；所述的纳米石墨与石墨烯的混合物中纳米石墨的质量分数为1％～99％；②喷雾干燥：通过喷雾干燥将浆料变成陶瓷复合粉体；③松装烧结致密化处理：对喷雾干燥得到的陶瓷复合粉体在1000℃～1400℃和保护气氛下进行热处理1h～4h，得到相对致密的复合粉体；所述的保护气氛为氩气；④对相对致密的复合粉体进行二次造粒得到较为致密的复合粉体；⑤采用等离子技术对二次造粒粉体进行处理，得到球形的致密的复合粉体；所述的等离子技术是采用亚音速喷枪、超音速喷枪、等离子喷枪或PS‑PVD喷枪进行的，且等离子喷涂的电压为50V～70V，等离子喷涂的电流为450A～650A，送粉速率为1kg/h～3kg/h；⑥过筛：对球形的致密的复合粉体进行过筛，通过筛子的粉体即为改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料；所述的筛子为200目或320目～800目。...

【技术特征摘要】
1.一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法是按以下步骤进行的：①球磨混粉：采用机械混粉法将纳米改性剂和纳米陶瓷粉末进行混合搅拌，然后加入聚乙烯醇水溶液，再搅拌均匀制成浆料；所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为10％；所述的聚乙烯醇水溶液与纳米陶瓷粉末的质量比为1:(10～100)；所述的纳米改性剂为纳米石墨、石墨烯或纳米石墨与石墨烯的混合物；所述的纳米改性剂和纳米陶瓷粉末的质量比为1:(4～50)；所述的纳米石墨与石墨烯的混合物中纳米石墨的质量分数为1％～99％；②喷雾干燥：通过喷雾干燥将浆料变成陶瓷复合粉体；③松装烧结致密化处理：对喷雾干燥得到的陶瓷复合粉体在1000℃～1400℃和保护气氛下进行热处理1h～4h，得到相对致密的复合粉体；所述的保护气氛为氩气；④对相对致密的复合粉体进行二次造粒得到较为致密的复合粉体；⑤采用等离子技术对二次造粒粉体进行处理，得到球形的致密的复合粉体；所述的等离子技术是采用亚音速喷枪、超音速喷枪、等离子喷枪或PS-PVD喷枪进行的，且等离子喷涂的电压为50V～70V，等离子喷涂的电流为450A～650A，送粉速率为1kg/h～3kg/h；⑥过筛：对球形的致密的复合粉体进行过筛，通过筛子的粉体即为改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料；所述的筛子为200目或320目～800目。2.根据权利要求1所述的一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于步骤①所述的纳米陶瓷粉末为氧化物陶瓷粉末、碳化物陶瓷粉末、氮化物陶瓷粉末、硅化物陶瓷粉末和硼化物陶瓷粉末中的一种或两种以上的复合陶瓷粉末。3.根据权利要求2所述的一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于所述的氧化物陶瓷粉末中的氧化物为氧化铝、氧化钛、氧化铬、氧化锆或氧化钨；所述的碳化物陶瓷粉末中的碳化物为碳化钛、碳化钨、碳化钒或碳化铌；所述的氮化物陶瓷粉末中的氮化物为氮化铝、氮化钛、氮化钒或氮化铌；所述的硅化物陶瓷粉末中的硅化物为氧化硅、氮化硅或碳化硅；所述的硼化物陶瓷粉末中的硼化物为二硼化锆、二硼化钛或六硼化镧。4.一种增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法，其特征在于增材制造用改性减摩耐磨抗蚀纳米陶瓷粉体材料的制备方法是按以下步骤进行的：①球磨混粉：采用机械混粉法将纳米改性剂和纳米陶瓷粉末进行混合搅拌，然后加入聚乙烯醇水溶液，再搅拌均匀制成浆料；所述的聚乙烯醇水溶液的质量分数为10％；所述的聚乙烯醇水溶液与纳米陶瓷粉末的质量比为1:(10～100)；所述的纳米改性剂为纳米石墨、石墨烯或纳米石墨与石墨烯的混合物；所述的纳米改性剂和纳米陶瓷粉末的质量比为1:(4～50)；所述的纳米石墨与石墨烯的混合物中纳米石墨的质量分数为1％～99％；②烘干制坯：对浆料进行烘干得到坯料；③破碎成粉：用破碎机将烘干坯料破碎，得到陶瓷复合粉体或坯块；④烧结处理：对陶瓷复合粉体或坯块在1000℃～1400℃和保护气氛下进行热处理1h～4h，得到相对致密的复合粉体；所述的保护气氛为氩气；⑤对相对致密的复合粉体进行二次造粒得到较为致密的复合粉体；⑥采用等离子技...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铀，迟逞，张琦文，王悦，王澜，
申请(专利权)人：迟逞，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23