一种纳米陶瓷涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种纳米陶瓷涂层及其制备方法，该纳米陶瓷涂层组成为：CeO220~30wt%，Y2O36~9wt％，余量为ZrO2。与现有技术中氧化钇稳定的氧化锆热障涂层（ZrO2-Y2O3，YSZ）相比，本发明专利技术中添加纳米CeO2制备成纳米陶瓷涂层（CSZ涂层），首先添加的纳米CeO2和ZrO2-Y2O3之间存在界面，晶粒的长大需要更多地能量，其次涂层中未熔的纳米CeO2和ZrO2-Y2O3之间存在高的局部应力，由于热膨胀失配冷却期间产生错位，对晶粒的长大有“钉扎”作用，导致CSZ涂层晶粒较小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷涂层
，尤其涉及ー种纳米陶瓷涂层及其制备方法。
技术介绍
热障涂层是ー种热导率非常低的隔热涂层，将其涂覆于高温エ况条件下的部件表面，利用其隔热保护作用可降低涂层下基体金属的工作温度，提高部件的高温使用性能和使用寿命。热障涂层材料的化学成分和显微组织是影响涂层性能的重要因素。同时，材料的导热系数也是ー个关键的评价參数，材料的导热系数越低，涂层的隔热效果就越好。现阶段的研究结果表明，在众多种类的制备热障涂层的材料中，陶瓷材料(如Al203、Zr02等)具有 更优异的隔热和耐热性能。但是采用传统陶瓷材料制备的热障涂层的隔热性能和抗热疲劳能力往往不能满足要求，研究表明微米和纳米尺寸薄膜由于传导电子的边界散射效应从而热导率随薄膜厚度的减少而降低，尤其当材料由纳米粒子组成时，其热导率大小将受边界散射的严重限制。这说明纳米级陶瓷粒子涂层在降低热导率，提高隔热性能方面与传统陶瓷涂层相比具有更大的潜力。制备热障涂层的主要方法有电子束物理气相沉积法、激光熔敷发法、自蔓延高温燃烧合成法、等离子喷涂法等，其中等离子喷涂是把陶瓷粉末送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态高速喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。其具有设备投资小，エ艺相对简单，涂层和厚度易于控制，对被喷涂物件尺寸和形状限制小，エ效高等优点从而成为制备纳米陶瓷涂层的主要方法。由于纳米粒子比表面积大、表面能高、流动性差等特点，热喷涂过程中直接将纳米粉末送入等离子弧中极为困难，即使进入等离子焰流中纳米粒子也将气化或飞扬，很难沉积到基体表面形成涂层，因此纳米粉末不适合直接作为喷涂材料使用，必须再造形成大颗粒纳米团聚体粉末，而后烧结形成可喷涂的纳米喂料。目前采用喷雾干燥技术制备团聚体粉末已经较为成熟，该技术可在数秒钟内完成液体原料的浓缩、干燥、造粒，制成的团聚体粉末呈球形颗粒，流动性好，含水率低。纳米团聚体粉末不仅保持了原有纳米陶瓷粒子的成分和结构，而且由于尺寸和质量的増大，且呈球形，明显地改善了流动性，成功地解决了采用等离子喷涂技术制备纳米结构涂层过程中送粉困难的关键技术问题。料浆制备过程中纳米粒子的长大问题是喷雾干燥技术制备纳米喂料的重点和难点，尤其是如何有效实现在烧结致密化的同时抑制纳米粒子长大是急需解决的关键问题。但是目前材料体系如Zr02、A1203、TiO2, Cr2O3等在喂料的制备过程中容易长大，从而经过喷涂过程后无法保持原有纳米结构。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供ー种纳米陶瓷涂层及其制备方法，该涂层解决了纳米粒子团聚和长大的问题。本专利技术提供了ー种纳米陶瓷涂层，包括以下成分CeO2 20 30wt% ；Y2O3 6 9wt% ；余量为ZrO2。优选的,所述纳米陶瓷涂层包括25wt%的Ce02。优选的,所述纳米陶瓷涂层包括8wt%的Y203。本专利技术提供了ー种纳米陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤Α)将CeO2纳米粉末、Y2O3纳米粉末和ZrO2纳米粉末利用喷雾造粒方法制备得到 团聚体粉末；B)将所述团聚体粉末进行等离子喷涂，得到纳米陶瓷涂层。优选的，所述步骤A具体为Al)将CeO2纳米粉末、Y2O3纳米粉末、ZrO2纳米粉末和CH2CH2NH (PEI)在こ醇中混合并搅拌，得到混合浆液；Α2)以氮气为干燥气对所述混合浆液进行离心喷雾干燥，筛分，热处理后得到团聚体粉末，热处理的温度为80(T950°C，时间为O. 5^1. 5h。优选的，所述步骤A2中热处理的温度为900°C。优选的，所述步骤A2中热处理的时间为Ih。本专利技术提供了ー种纳米陶瓷涂层及其制备方法，该纳米陶瓷涂层组成为=CeO220 30wt%, Y2O3 6 9wt %,余量为ZrO2。与现有技术中氧化乾稳定的氧化错热障涂层(ZrO2-Y2O3, YSZ)相比，本专利技术中添加纳米CeO2制备成三元纳米陶瓷涂层(CSZ涂层)，首先添加的纳米CeO2和ZrO2-Y2O3之间存在界面，晶粒的长大需要更多地能量，其次涂层中未熔的纳米CeO2和ZrO2-Y2O3之间存在高的局部应力，由于热膨胀失配冷却期间产生错位，对晶粒的长大有“钉扎”作用，导致CSZ涂层晶粒较小。实验结果表明，本专利技术制备的陶瓷涂层的平均晶粒尺寸为58. 6nm，熔融的外壳呈方向性很强的柱状晶结构，为微米结构，内部仍然是原始的三元Y2O3-ZrO2-CeO2纳米陶瓷粒子，平均尺寸为45nm;CSZ涂层的孔隙率平均为7. 3% ;涂层的最高结合强度为60MPa，平均隔热能力为110°C，抗热冲击能力为12次。附图说明图I为本专利技术实施例I原料CeO2纳米粉末的透射电镜照片；图2为本专利技术实施例I原料Zr02_8wt%Y203纳米粉末的透射电镜照片；图3为本专利技术实施例I原料CeO2纳米粉末的X射线衍射图谱；图4为本专利技术实施例I原料Zr02_8wt%Y203纳米粉末的X射线衍射图谱；图5为本专利技术实施例I制备的团聚体粉末的X射线衍射图谱；图6为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末的X射线衍射图谱；图7为本专利技术实施例I制备的团聚体粉末的扫描电镜照片；图8为本专利技术实施例I制备的团聚体粉末的扫描电镜照片；图9为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末的扫描电镜照片；图10为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末断ロ的场发射扫描电镜照片；图11为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末断ロ的场发射扫描电镜照片；图12为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末熔融外壳的场发射扫描电镜照片;图13为本专利技术实施例I制备的喷涂后团聚粉末熔融外壳内壁的场发射扫描电镜照片；图14为本专利技术实施例2制备的CSZ热障涂层组织结构截面的背散射电子成像照片;图15为本专利技术实施例2制备的CSZ陶瓷层组织结构的背散射电子成像照片； 图16为本专利技术实施例2制备的CSZ热障涂层的扫描电镜照片；图17为本专利技术实施例2制备的CSZ热障涂层A区的扫描电镜照片；图18为本专利技术实施例2制备的CSZ热障涂层B区的场发射扫描电镜照片；图19为本专利技术实施例2制备的CSZ热障涂层熔化区的场发射扫描电镜照片；图20为本专利技术实施例2制备的CSZ涂层X射线衍射图谱；图21为本专利技术比较例I制备的YSZ涂层X射线衍射图谱；图22为本专利技术实施例2 4制备的CSZ热障涂层结合強度曲线；图23为本专利技术实施例2 4制备的CSZ热障涂层隔热性能曲线；图24为本专利技术实施例2 4制备的CSZ热障涂层热震性能柱形图。具体实施例方式本专利技术提供了ー种纳米陶瓷涂层，其组成为Ce022(T30Wt%，Y2036 9wt%，余量为ZrO20其中CeO2含量优选为25wt%，Y2O3含量优选为8wt%。陶瓷材料ZrO2具有优异的隔热和耐热性能，但纯ZrO2在不同的温度下有不同的相结构，高温立方相ZrO2在冷却过程中会转变为四方晶系晶体，温度进ー步降低吋，又会相变为单斜晶体，当四方相转变为单斜相时，体积会増大49Γ6%，从而会引起高压应力，易导致裂纹的形成和材料的损坏，故需加入离子半径相近的Y2O3作为稳定剂。其制备方法包括以下步骤Α)将CeO2纳米粉末、Y2O3纳米粉末和ZrO2纳米粉末利用喷雾造粒方法制备得到团聚体粉末；B)将所述团聚体粉末进行等离子喷涂，得到纳米陶瓷涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵宝明，张铁成，赵斌，
申请(专利权)人：吉林省和旺科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：