纳米氧化铝复合陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及氧化铝陶瓷涂层及其制备技术。涂层由热喷涂方法制备得到，喷涂物料是由氧化铝、氧化锆和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中氧化铝20-75wt%，氧化锆10-40wt%，稀土氧化物10-60wt%；稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。制备方法是：（1）配制混合细粉料（2）将混合细粉料通过等热喷枪熔融后直接喷射到常温净水中，再烘干过筛得到氧化铝基玻璃颗粒；（3）热喷涂陶瓷涂层。本发明专利技术以氧化铝基玻璃颗粒作为喷涂原料通过热喷涂方法形成涂层，整个涂层是分布均匀的纳米结构，气孔率在2%以下，具有优良的机械性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及氧化铝陶瓷涂层及其制备技术，尤其涉及一种具有纳米晶粒结构的氧化铝复合陶瓷涂层和制备方法。
技术介绍
热喷涂氧化铝涂层具有优良的机械和电学性能，用作抗磨损、耐腐蚀和高温隔热涂层，在机械、化工、冶金等领域得到了广泛应用。利用纳米结构来改善涂层性能已成为氧化铝陶瓷涂层研究的方向，用热喷涂技术制备的纳米结构氧化铝涂层与传统涂层相比，在强度、韧性、抗腐蚀、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。自上世纪90年代以来，热喷涂纳米氧化铝涂层已经取得了快速发展。但是，纳米氧化铝涂层在涂层结构以及性能方面仍存在着一些问题(1)纳米颗粒的烧结长大问题。纳米粒子比表面积大，表面活性高，致使熔点下降，喷涂过程中容易烧结长大而改变性状，最终影响到涂层中纳米晶结构的保持， 所以热喷涂制备的纳米氧化铝涂层通常只是具有部分的纳米结构；(2)涂层质量问题。在等离子喷涂中，由于火炬存在很宽的温度梯度分布，原料颗粒在火炬中的熔化状态、温度分布、冷却速度等不可能完全相同，很难保证所有的原料都能处在优化的工艺条件下，因而很难得到结构均勻、致密的涂层。同时，作为喷涂原料的团聚颗粒往往致密度较差，内部的气孔会在涂层中残留下来，导致涂层内部微观结构的不均勻，以及致密度差，最终影响涂层的性能。通常，等离子喷涂的陶瓷涂层的气孔率都在3-5%，甚至更高。
技术实现思路
本专利技术的目的是，针对现有技术中的不足，提供一种具有纳米晶粒结构的氧化铝复合陶瓷涂层及其制备方法，从而进一步提高涂层的韧性、强度和耐磨损等机械性能。本专利技术的目的通过以下方式实现。本专利技术的纳米氧化铝复合陶瓷涂层，由热喷涂方法制备得到，其喷涂物料组分中包括有氧化铝粉末，其特征在于，所述喷涂物料是由氧化铝、氧化锆和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中，氧化铝20-75wt%，氧化锆10-40wt%，稀土氧化物 10-60wt%;所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术的氧化铝复合陶瓷涂层的制备方法，包括用热喷涂法将物料喷涂到基体上，其特征在于，制备过程是(1)配制混合细粉料称取组分氧化铝、稀土氧化物，然后将各组分混合并加入酒精进行湿法球磨IO-M小时，再烘干过筛，获得粒度为20-100 μ m的混合粉末；所述氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，氧化锆的重量占总重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占总重量的10-60 wt%;所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合；(2)制备玻璃颗粒将混合细粉料通过等离子喷枪或氧乙炔喷枪熔融后直接喷射到常温净水中，例如蒸馏水或去离子水等；然后再烘干过筛，得到熔化充分、结构均勻致密的粒度为20-100 μ m的氧化铝基玻璃颗粒；(3)热喷涂陶瓷涂层使用大气等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺将氧化铝基玻璃颗粒喷涂到基体上，形成具有纳米结构的陶瓷涂层，该陶瓷涂层厚度在50ym-2mm。本专利技术先制备出熔化充分、结构均勻致密的氧化铝基玻璃颗粒，然后将其作为喷涂原料通过热喷涂方法形成涂层，玻璃颗粒在重融冷却过程中产生结晶析出纳米晶粒。由于形成的晶粒是从玻璃基质中直接析出的，晶粒细小，因此整个涂层完全是分布均勻的纳米结构，而且采用玻璃前驱体纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能显著降低材料本征内应力，纳米晶粒还有阻止材料微裂纹扩展的作用，这种独特的结构使得涂层具有优良的机械性能。相比现有的热喷涂氧化铝涂层，它还消除了由于团聚料的结构疏松所带来的气孔，同时，由于玻璃质熔点相对较低，其在熔融时有粘滞流动作用，这十分有利于形成更加致密的涂层。经检测，本专利技术涂层气孔率达到m以下。本专利技术涂层中的玻璃颗粒结构，具有高熔点、低粘度以及易结晶的特点，这是所述涂层具有良好机械性能的主要原因。但是单独的氧化铝很难形成玻璃颗粒结构，因为形成玻璃颗粒所需的冷却速率高达IO7 K/s，现有技术中还无法通过传统的熔融-冷却的方法来得到氧化铝玻璃块体。本专利技术通过加入氧化锆和稀土氧化物，由于氧化锆能和氧化铝、稀土氧化物形成三相低共熔点，特别是加入一定量的氧化锆成份后，降低了形成玻璃颗粒所需的冷却速率，更容易形成形成共融点体系，使得涂层中的纳米晶粒分布更为均勻致密。试验表明，加入氧化锆成份后，其形成玻璃颗粒所需的冷却速率由原来的IO7 K/s，降低至IO3 K/ S。而且，虽然在氧化铝基中仅加入稀土氧化物也能形成玻璃颗粒结构，但从效果来看，加入氧化锆的三组份涂层的机械性能，明显优于二组份的涂层。下面通过实施例作进一步描述。具体实施方式实施例1 制备纳米氧化铝复合陶瓷涂层(1)配制混合细粉料秤取50克氧化铝、氧化锆和氧化镧混合粉料(重量百分配比是氧化铝38. 6wt%,氧化镧42. 4wt%和氧化锆19wt%)，加入75毫升酒精和200克氧化铝磨球，湿法球磨混合M小时，然后100°C下烘干，过100目筛得到混合细粉料；(2)制备玻璃颗粒将前述混合细粉料通过大气等离子喷枪进行熔融，其参数为氩气45 L/Min、氢气15 L/Min、电压85V、电流740A，熔融后的粉末直接喷射到蒸馏水中进行急速冷却，喷枪与水之间的喷涂距离为600 mm，粉末100°C烘干后过筛，粒度在20-100 μ m 的粉末用于涂层喷涂；(3)喷涂陶瓷涂层使用304不锈钢作为基体材料进行涂层喷涂，喷涂前先对基体进行喷砂处理，去除表面污染物并使表面粗糙化。喷涂使用大气等离子喷涂设备，把步骤(2)所得的玻璃颗粒均勻喷涂到基体上，喷涂参数为氩气40 L/Min、氢气10 L/Min、电压68V、电流650A，形成厚度为100-200 μ m的涂层。另外还同时喷涂了一块200 μ m左右的涂层，以作比较用。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对本实施例获得的涂层进行测试，结果显示通过等离子喷枪球化后得到的粉末为流动性好的球形颗粒，相结构分析显示为玻璃结构，涂层具有纳米结构，结构致密。 实施例2 制备纳米氧化铝复合陶瓷涂层(1)配制混合细粉料氧化铝-氧化锆-氧化钇复合材料作为原料，(重量百分配比是氧化铝55. 8wt%,氧化钇28. 6wt%和氧化锆15. 6wt%),并按照实施例1所述方法，进行球磨混合制粉得到混合细粉料；(2)制备玻璃颗粒将上述混合细粉料通过氧-乙炔火焰喷枪进行熔融，其参数为氧气12 L/Min、乙炔25 L/Min，熔融后的粉末直接喷射到蒸馏水中进行急速冷却，喷枪与水之间的喷涂距离为600 mm，粉末100°C烘干后过筛，得到粒度在20-100 μ m的玻璃颗粒；(3)喷涂陶瓷涂层按照实施例1所述方法，将步骤(2)所得玻璃颗粒喷涂到基体上形成1000-1100 μ m的涂层，另外还同时喷涂了一块200 μ m左右的涂层，以作比较用。用扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对本实施例获得的涂层进行测试，结果显示通过氧-乙炔火焰喷枪球化后得到的粉末为流动性好的球形颗粒，相结构分析显示为玻璃结构，整个涂层具有纳米结构，结构致密。实施例3 制备纳米氧化铝复合陶瓷涂层(1)配制混合细粉料氧化铝-氧化锆-氧化钇复合材料作为原料，(重量百分配比是氧化铝55. 8wt%,氧化钇本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪灏，程敬卿，
申请(专利权)人：安徽禹恒材料技术有限公司，
类型：发明
国别省市：