一种热喷涂用的核壳结构陶瓷复合粉体及其制备方法技术

一种热喷涂用核壳结构陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷复合粉体陶瓷‑金属内核和陶瓷外壳组成，复合粉体的粒径为20~80μm，所述陶瓷‑金属内核是由陶瓷材料和金属材料组成，陶瓷材料为粒径为1~3μm的YSZ或Al

【技术实现步骤摘要】
一种热喷涂用的核壳结构陶瓷复合粉体及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷材料
，具体涉及一种热喷涂用的核壳结构陶瓷复合粉体及其制备方法。
技术介绍
随着固体火箭发动机性能的不断提升，喷管、燃烧室以及燃气舵等热端部件的服役环境变得愈发恶劣，往往需要在超高温（2000℃~3000℃）、超音速富氧燃流冲刷（3Ma~5Ma）的环境中工作，因此对于热端部件材料提出了更加严苛的使用要求。为提高热端部件的使用寿命，需要在其表面制备具有隔热抗烧蚀性能的涂层进行保护。作为传统的热防护涂层材料，YSZ、Al2O3具有熔点高、比强度高以及物化性质稳定等优点，但较低的断裂韧性限制了其在超音速燃流冲刷环境中的应用，通过向陶瓷体系中添加Cu、Ni等第二相金属可有效提升传统陶瓷材料的韧性。目前在热防护涂层的制备方法上，主要包括化学气相沉积、电子束-物理气相沉积以及等离子喷涂等。其中，等离子喷涂技术凭借可喷涂材料种类范围广、喷涂效率高以及涂层厚度可控等优点得到了最为广泛的应用。然而，由于YSZ、Al2O3与Cu、Ni等在熔点和热导率等热物理性能上存在较大差异，采用机械混合或普通喷雾造粒技术制备的团聚粉末在等离子喷涂过程中金属第二相极易在高温射流中挥发而造成涂层的实际成分与初始设计值出现较大偏差，导致涂层中的两相不能均匀弥散以及由于金属第二相的烧损造成孔隙等缺陷含量大幅度提高，使得最终放热涂层的性能受损，难以满足高温热防护性能的要求。
技术实现思路
为了克服现有技术中的问题，本专利技术目的在于提供一种热喷涂用的核壳结构陶瓷复合粉体。该核壳结构有效防止粉体中的金属第二相在热喷涂过程中烧损。本专利技术另一目的是提供上述核壳结构陶瓷复合粉体的制备方法。制备出的核壳结构包覆完整，壳层均匀性优异。本专利技术目的通过如下技术方案实现：一种热喷涂用核壳结构陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷复合粉体陶瓷-金属内核和陶瓷外壳组成，复合粉体的粒径为20~80μm，所述陶瓷-金属内核是由陶瓷材料和金属材料组成，陶瓷材料为粒径为1~3μm的YSZ或Al2O3，金属材料为Cu、Ni、NiCrAlY、NiCoCrAlY中的任意一种，外壳由粒径为300~500nm的氧化物陶瓷构成，厚度为1~5μm。该核壳结构中，纳米氧化陶瓷将含有金属第二相的复合核结构完整包裹，使得该粉体在高温喷涂形成涂层过程中，金属第二相在高温下不发生挥发，有效留在涂层中，从而实现增强涂层韧性的作用，其次，在使用过程中，低熔点Cu、Ni等金属在高温服役环境下，熔化吸热，削弱了高温燃流对热端部件的损伤，提高了热端部件的服役寿命。优选的，金属材料为Cu或Ni。上述热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：依次进行内核的制备和外壳的包裹，所述内核的制备是将粒径均是1~3μm的陶瓷粉体和金属第二相混合在150~350rpm下球磨、喷雾造粒得团聚态陶瓷-金属内核粉体，再进行等离子球化形成烧结态的陶瓷-金属内核，所述外壳的包裹是将烧结态陶瓷-金属内核与粒径为300~500nm的陶瓷粉体混合在550~650rpm下高速球磨后，将浆料一边超声震荡一边送料进行二次喷雾造粒的团聚态核壳结构复合粉体，最后进行等离子球化。在二次造粒时，若制备外壳结构的氧化物陶瓷粒径过大，不能形成与内核复合粉体形成包覆结构，而在球磨后喷雾造粒过程中形成无规则的团聚体。因此，要严格控制制备外壳的陶瓷粉体的粒径，本专利技术采用纳米级的氧化物陶瓷粉体，但是由于纳米材料本身性质，使得纳米氧化物陶瓷容易发生团聚，分散性差，使得最后形成的外壳不完整，壳层的均匀性差，球化后松装密度低、流动性差。本专利技术中第一次喷雾造粒后进行等离子体球化形成了烧结态的陶瓷与金属第二相均匀混合的复合粉体，再与纳米级氧化物陶瓷粉体混合，高速球磨结合超声振荡产生的空化作用能够抑制纳米级陶瓷粉体的团聚，提高了其在内核表面的分散性，使得最终喷雾造粒形成的粉体颗粒的壳结构包覆完整，厚度均匀，从而提高了其流动性。进一步，上述陶瓷粉体和金属第二相混合球磨具体是将粒径均为1~3μm的陶瓷粉体与金属第二相加入质量浓度为0.5~1%的PVA溶液中，形成固含量为45~60wt%的浆料，在150~350rpm下进行球磨2~5h。进一步，上述粒径均为1~3μm的陶瓷粉体与金属第二相是按照金属第二相在内核中的含量为10~40ωt%进行混合。进一步，上述喷雾造粒的进口温度为300~330℃，出口温度为100~120℃，蠕动泵转速为25~50rpm，喷雾头转动频率为20~50Hz。进一步，上述团聚态陶瓷-金属内核粉体进行等离子球化是采用氩气作为主气流、气流量为55~75SCFH，氢气作为次气流、气流量为6~10SCFH，反应室压力为8~12psi，送粉速率为1.5~4.5rpm。本专利技术中通过一定粒径陶瓷粉体和金属第二相粉体混合进行特定的球磨后喷雾造粒，使得金属第二相和陶瓷粉体成分分布均匀，不发生成分偏聚，再将团聚态陶瓷-金属内核进行等离子球化，增加了内核粉体的致密性，提高了其松装密度和内聚强度，抑制了在其与纳米陶瓷粉体混合球磨过程中过高的球磨速率导致内核结构破碎。进一步，所述壳层的包裹过程中高速球磨是将烧结态的陶瓷-金属内核复合粉体与粒径为300~500nm的氧化物陶瓷粉体混合加入浓度为1~1.5ωt%的PVA溶液中，在550~650rpm下高速球磨1~2h后。进一步，上述纳米氧化物陶瓷为YSZ或Al2O3。优选的，上述纳米氧化物陶瓷为粒径为300~500nm的YSZ。进一步，上述团聚态陶瓷-金属内核复合粉体与粒径为300~500nm的YSZ粉是按照纳米陶瓷外壳粉体在核壳结构中占比为10~17ωt%混合。进一步，所述超声是超声频率是10~20Hz，温度为50~60℃，超声时间为2~15min，浆料持续超声处理并进行喷雾造粒。进一步，所述团聚态核壳结构复合粉体的等离子球化是采用氩气作为主气流、气流量为55~75SCFH，氢气作为次气流、气流量为6~10SCFH，反应室压力为8~12psi，送粉速率为1.5~4.5rpm。最具体的，一种热喷涂用的核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：（1）在保护内核粉体的前提下减薄外壳，通过球体的体积公式及密度计算，得到核壳结构的复合粉体中，纳米级陶瓷外壳粉体的含量为10~17ωt%，在内核中金属第二相的含量为10~40ωt%；（2）按照在内核中金属第二相的含量为10~40ωt%称取粒径均为1~3μm的陶瓷粉末与金属材料混合加入浓度为0.5-1ωt%的PVA溶液中，使得全部粉体固含量为45~60ωt%，在转速为150~350rpm下球磨2~5h形成浆料，所述陶瓷粉体为YSZ或Al2O3，所述金属材料为Cu、Ni、NiCrAlY、NiCoCrAlY中的任意一种；（3）将球磨后的浆料进行喷雾造粒，进口温度为300~330℃，出口温度为100~120℃，蠕动泵转速为25~50rpm，喷雾头转动频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热喷涂用核壳结构陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷复合粉体陶瓷-金属内核和陶瓷外壳组成，复合粉体的粒径为20~80μm，所述陶瓷-金属内核是由陶瓷材料和金属材料组成，陶瓷材料为粒径为1~3μm的YSZ或Al

【技术特征摘要】
1.一种热喷涂用核壳结构陶瓷复合粉体，其特征在于：所述陶瓷复合粉体陶瓷-金属内核和陶瓷外壳组成，复合粉体的粒径为20~80μm，所述陶瓷-金属内核是由陶瓷材料和金属材料组成，陶瓷材料为粒径为1~3μm的YSZ或Al2O3，金属材料为Cu、Ni、NiCrAlY、NiCoCrAlY中的任意一种，外壳由粒径为300~500nm的氧化物陶瓷构成，厚度为1~5μm。


2.如权利要求1所述的热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：依次进行内核的制备和外壳的包裹，所述内核的制备是将粒径均是1~3μm的陶瓷粉体和金属第二相混合在150~350rpm下球磨、喷雾造粒得团聚态陶瓷-金属内核，再进行等离子球化形成烧结态的陶瓷-金属内核，所述外壳的包裹是将烧结态的陶瓷-金属内核与粒径为300~500nm的陶瓷粉体混合在550~650rpm下高速球磨后，将浆料一边进行超声振荡一边送料进行二次喷雾造粒，得团聚态核壳结构复合粉体，最后进行等离子球化。


3.如权利要求2所述的热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉体和金属第二相混合球磨具体是将粒径均为1~3μm的陶瓷粉体与金属第二相加入质量浓度为0.5~1%的PVA溶液中，形成固含量为45~60wt%的浆料，在150~350rpm下进行球磨2~5h。


4.如权利要求2或3所述的热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：所述喷雾造粒的进口温度为300~330℃，出口温度为100~120℃，蠕动泵转速为25~50rpm，喷雾头转动频率为20~50Hz。


5.如权利要求2~4任一项所述的热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：所述团聚态的陶瓷-金属内核粉体的等离子球化是采用氩气作为主气流、气流量为55~75SCFH，氢气作为次气流、气流量为6~10SCFH，反应室压力为8~12psi，送粉速率为1.5~4.5rpm。


6.如权利要求2所述的热喷涂用核壳结构陶瓷-金属复合粉体的制备方法，其特征在于：所述壳层的包裹过程中高速球磨是将烧结态陶瓷-金属内核复合粉体与粒径为300~500nm的氧化物粉体混合加入浓度为1~1.5ωt%的PVA溶液中，在550~650rpm下高速球磨1~2h后。

【专利技术属性】
技术研发人员：吴护林，白懿心，李忠盛，黄安畏，宋凯强，丛大龙，彭冬，詹青青，张敏，
申请(专利权)人：中国兵器工业第五九研究所，
类型：发明
国别省市：重庆;50