本发明专利技术提供了一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法；属于冷喷涂陶瓷涂层制备技术领域。本发明专利技术通过下述方案实现：将ZrO2与CeO2粉末按摩尔比为3-10：1混料后进行干式球磨，得到平均晶粒尺寸为10-15nm、非晶粉末占ZrO2与CeO2粉末总摩尔质量的5-20%的混合粉末，再将混合粉末在300-400℃预热后冷喷涂在基体材料表面，得到陶瓷涂层；冷喷涂的条件为：以氮气或氦气为工作气体，工作气体温度在350-550℃，压力为10-29大气压；喷枪出口处距沉积基体材料表面距离为30-50mm。本发明专利技术一改以往通常需要添加塑性金属等填料才能获得冷喷涂陶瓷复合涂层的惯常做法，借助陶瓷粉末的纳米化和非晶化技术，最终获得孔隙率低于1.2%，沉积效率高于40%，涂层界面结合强度位于30-55MPa的ZrO2/CeO2陶瓷涂层。本发明专利技术工艺简单，适于工业化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开了；属于冷喷涂陶瓷涂层制备
技术介绍
传统热喷涂过程主要依赖材料融化及快速固化，不可避免发生材料氧化、分解或组织变化。冷喷涂技术是一种新型的涂层沉积技术，冷喷涂过程主要依赖常温高动能粉末粒子(5-50μπι)的高速(300-2000m/s)碰撞，在碰撞界面进行的动能向热能转化过程中以达到使粉末颗粒与基体以及粉末颗粒间形成冶金结合而获得涂层的目的。因为冷喷涂涂层的沉积主要依赖塑性粒子的高应变(106_9/s)速率塑性变形，理论研究表明涂层沉积机制与碰撞界面的绝热剪切不稳定(ASI)变形有关，通过ASI区材料的粘流性特征实现碰撞界面材料的冶金结合。冷喷涂过程完全在远低于材料熔点条件下进行，涂层中几乎不存在热应力，且界面结合主要以冶金键结合特征为主，涂层粘附强度高于70MPa，明显高于等离子热喷涂涂层的结合强度(约20MPa)，且涂层致密度高，孔隙度低于1%。因为热影响小，冷喷涂涂层中通常能保持原始粉末的化学成分及相结构，有利于对特定材料的结构和性能的设计。然而，因为冷喷涂过程主要依赖材料的塑性变形，以往进行冷喷涂的材料通常是纯金属，即使在喷涂金属陶瓷时，陶瓷颗粒也仅仅是依靠机械力镶嵌在塑性金属涂层基体中。我们知道，陶瓷材料在常温条件下一般不具备塑性变形能力，所以目前还很难采用冷喷涂方法获得纯陶瓷涂层。一些陶瓷涂层的制备往往需要采用金属材料填料或粘结齐U，陶瓷颗粒往往依靠机械力镶嵌在金属基体内，在涂层应用过程中陶瓷颗粒容易剥离造成摩擦副及涂层面的加速磨损。同时，陶瓷颗粒与金属基体间的机械结合是涂层裂纹源头，能造成涂层的快速破裂破坏，有时会导致喷涂后基体力学性能的降低。目前国内外沉积冷喷涂陶瓷涂层的方法无非是两种:一是通过加入金属填料(如WC中加入Co、A1203中加入Al)最终制备金属陶瓷涂层或者复合涂层，这种方法制备将改变陶瓷材料的组成；另一种是采用真空冷喷涂或者动力凝胶的方法制备陶瓷涂层，涂层厚度很难高于20 μ m,且因为是在真空等苛刻条件下进行，很难对涂层结构及形貌进行控制和调整，不适合进行高效率的大规模生产。目前使用传统冷喷涂技术，在开放条件下制备纯陶瓷涂层的技术国内外尚未见报道，但该领域的研究却吸引了学术及工业界的广泛兴趣，从近年来发展起来的旨在沉积陶瓷涂层的动力凝胶、真空冷喷涂及纳米沉积等技术研究方法就足可窥见一斑。
技术实现思路
本专利技术的目的旨在提供一种操作性强，适用面广，沉积的纯陶瓷涂层致密度高、与基体结合强度高的冷喷涂制备 氧化锆陶瓷涂层的方法。本专利技术，包括下述步骤:第一步，氧化锆/氧化铈陶瓷粉末的纳米化、非晶化前处理将平均粒径均为1-10 μ m的Zr02、CeO2粉末按摩尔比3_10: I混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度为10_15nm、非晶化转变的混合粉末占ZrO2与CeO2粉末总摩尔质量的5-20%，得到冷喷涂用Zr02+Ce02陶瓷粉末；第二步:冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层将第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末经预热后冷喷涂在基体材料表面；或将第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末经喷雾造粒后预热，预热后冷喷涂在基体材料表面；所述预热温度为300-400°C ;冷喷涂工艺条件为:工作气体为氮气或氦气，工作气体温度为350_550°C，工作气体压力为10_29个大气压；喷枪出口处距沉积基体材料表面距离为30-50mm。本专利技术，所述ZrO2粉末的初始晶粒度为80-100纳米。本专利技术，第一步中，所述混料采用ZrO2粉末与CeO2粉末的直接混合或采用溶胶凝胶法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2。本专利技术所述的采用 溶胶凝胶法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2是通过下述方案实现的:按摩尔比Zr:Ce:聚二乙醇=3_10:1:2分别称取ZrO2粉末、硝酸铈(Ce (NO3)3- 6H20)、聚二乙醇，然后先将硝酸铈充分溶入聚二乙醇中，在恒温水浴80°C的条件下，搅拌形成半透明溶胶；然后加入ZrO2粉末，搅拌均匀后冷却至室温，得到Ce (OH) 3包覆ZrO2的凝胶；用无水乙醇洗涤凝胶，抽滤，得到滤饼，将滤饼在490-510°C焙烧，使凝胶中Ce (OH) 3充分脱水分解，冷却至室温，最终获得ZrO2表面包覆有CeO2的复合粉末，复合粉末中CeO2粉层厚度大于3 μ m。溶胶凝胶法涉及的化学反应如下:(I)溶胶制备过程反应:Ce3++30H~ ^tfc(2 )高温烘焙过程反应:4( V(OH); + O7 赠 > 4( VO1 +6H2 t本专利技术，所述干式球磨采用大、中、小三种规格的磨球，磨球数量按大:中:小=1:2:3的比例配置，球料质量比15-20:1以保证粉末在球磨过程中发生充分的固态变形，球磨时间20-60小时；球磨转速为180-250r/min,球磨过程中每15-30min开启球磨罐刮粉一次。本专利技术，大磨球直径为8_12mm，中磨球直径为6_9mm,小磨球直径为3_6mm。本专利技术，第二步中，所述喷雾造粒工艺条件为:进风温度225_250°C，出风温度110°C，所制备粉末颗粒的粒度为10-20 μ m、球形度彡70%ο本专利技术，冷喷涂时，送粉量6-15g/min,喷枪扫速50-150mm/min,可喷涂2层或更多层数(取决于对涂层厚度的要求)。本专利技术，聚二乙醇选自国药集团化学试剂有限公司生产的聚二乙醇400。本专利技术，所制备的氧化锆/氧化铈陶瓷涂层孔隙率低于1.2%、界面结合强度为30-55MPa、涂层厚度20 μ m-70 μ m，无需特殊的前-后处理即可交付使用，但涂层表面粗糙度高于10 μ m。专利技术人根据近期在冷喷涂涂层沉积机制的基础研究，了解到冷喷涂涂层的沉积过程主要依赖粉末表面高应变速率变形过程中发生的相转变过程，设计本专利技术方法，利用晶粒尺寸小于15纳米的陶瓷颗粒，在高应变速率变形过程中能够进一步提高涂层致密度、界面结合强度及涂层沉积效率；利用非晶粉末在过冷液相区的超塑性变形特点，一定的非晶含量能够保证在粉末预热条件下，非晶部分的超塑性变形能够取代以往塑性金属填料的角色，促进粉末颗粒间的结合强度；实现陶瓷粉末的冷喷涂涂层沉积。本专利技术主要依赖陶瓷材料高应变速率变形条件下的相结构转变特性，采用机械球磨的方法制备部分非晶化及超细纳米化的陶瓷粉末，采用粉末低温预热的方法实现粉末在冷喷涂过程中的超塑性变形(或非晶粉末在过冷液相区的超塑性变形，部分非晶相可充当传统意义上的塑性金属填料的角色)，以达到获得冷喷涂纯陶瓷涂层的目的。该方法在制备具有超高结合强度和高温耐磨、耐腐蚀性能陶瓷薄膜方面具有显著的优势，利用粉末高速碰撞以期获得致密度高、结合牢固的陶瓷涂层；同时利用冷喷涂高速沉积的特性，能够在低温开放条件下获得理想性能的涂层。其机理及优点简述于下:1、在ZrO2中引入CeO2，利用干式球磨工艺参数的设计匹配，制备出纳米化及非晶化Zr02+Ce02陶瓷粉末。特别是定时开罐刮粉，以防止粉末粘罐，同时降低球磨温度，在一定程度上降低已形成的非晶相逆向转变为纳米晶的几率，为后面冷喷涂过程中非晶相作为填料以提高粉末粒子间键合强度打下了基础；随球磨时间延长，粉末随晶粒尺寸减小而塑性增加，因而在球磨后期需适当降低刮粉间隔时间为15-20min。ZrO2中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法，其特征在于包括下述步骤：第一步，氧化锆/氧化铈陶瓷粉末的纳米化、非晶化前处理将平均粒径均为1?10μm的ZrO2、CeO2粉末按摩尔比3?10：1混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度为10?15nm、非晶化转变的混合粉末占ZrO2与CeO2粉末总摩尔质量的5?20%，得到冷喷涂用ZrO2+CeO2陶瓷粉末；第二步：冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层将第一步所得ZrO2+CeO2陶瓷粉末经预热后冷喷涂在基体材料表面；或将第一步所得ZrO2+CeO2陶瓷粉末经喷雾造粒后预热，预热后冷喷涂在基体材料表面；所述预热温度为300?400℃；冷喷涂工艺条件为：工作气体为氮气或氦气，工作气体温度为350?550℃，工作气体压力为10?29个大气压；喷枪出口处距沉积基体材料表面距离为30?50mm。
【技术特征摘要】
1.一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法，其特征在于包括下述步骤: 第一步，氧化锆/氧化铈陶瓷粉末的纳米化、非晶化前处理 将平均粒径均为1-10 μ m的Zr02、Ce02粉末按摩尔比3_10:1混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度为10-15nm、非晶化转变的混合粉末占ZrO2与CeO2粉末总摩尔质量的5-20%，得到冷喷涂用Zr02+Ce02陶瓷粉末； 第二步:冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层 将第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末经预热后冷喷涂在基体材料表面；或 将第一步所得Zr02+Ce02陶瓷粉末经喷雾造粒后预热，预热后冷喷涂在基体材料表面； 所述预热温度为300-400°C ； 冷喷涂工艺条件为: 工作气体为氮气或氦气，工作气体温度为350-550°C，工作气体压力为10-29个大气压；喷枪出口处距沉积基体材料表面距离为30-50mm。2.根据权利要求1所述的一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法，其特征在于:所述ZrO2粉末的初始晶粒度为80-100纳米。3.根据权利要求1所述的一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法，其特征在于:第一步中，所述混料采用ZrO2粉末与CeO2粉末的直接混合或采用溶胶凝胶法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2。4.根据权利要求3所述的一种冷喷涂制备氧化锆/氧化铈陶瓷涂层的方法，其特征在于:所述的采用溶胶凝胶法在ZrO2粉末表面包覆混合CeO2是通过下述方案实现的: 按摩尔比Zr =Ce:聚二乙醇=3-10:1:2分别称取ZrO2粉末、硝酸铈(Ce (NO3) 3.6H20)、聚二乙醇，然后先将硝酸铈充分溶入聚二乙醇中，在恒温水浴80°...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊玉明，李松林，王磊，熊翔，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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