用于陶瓷涂层的复合粉体组合物与陶瓷涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于耐磨涂层技术领域，尤其涉及一种用于陶瓷涂层的复合粉体组合物与 陶瓷涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，除少数贵金属外，金属材料会与周围介质发生化学反应和电化学反应 而遭受腐蚀。此外，金属表面受各种机械作用而引起的磨损也极为严重，大量的金属构件因 腐蚀和磨损而失效，造成极大的浪费和损失。因此，发展金属表面防护和强化技术，是各专 家学者普遍关也的重大课题。采用等离子体喷涂工艺在金属表面涂覆陶瓷涂层是制备金属 陶瓷复合材料的一种重要方法，综合利用金属初性高、耐疲劳等优良力学性能和陶瓷材料 的稳定性，可应用于耐磨、耐高温、耐腐蚀等诸多领域，并且具有操作简单、效率高、可重复 性好、适合规模化生产等优点。
[0003] 氧化纪稳定的氧化铅（YSZ)陶瓷具有特殊的四方介稳结构、良好的化学稳定性和 较高的力学强度，常用作耐磨材料，亦用作骨植入体巧日人工关节）的摩擦界面材料。但是， 等离子体喷涂工艺制备的YSZ陶瓷涂层的扁平颗粒之间属于机械结合，结合强度较低；陶 瓷涂层中的孔洞等缺陷易在交界处聚集，内聚强度较低。在循环应力作用下，裂纹容易在薄 弱的层间萌生和拓展，影响其磨损性能。之前有人将碳纳米管（CNT)用于陶瓷涂层耐磨领 域改性的的报道，但CNT作为一维碳材料，虽具有优良的力学、热学和电学性能，但其本身 的润滑作用比二维的石墨帰差，在改善陶瓷耐磨性能方面不够理想，有文献报道添加碳纳 米管可能会使增大体系的摩擦系数，并且从应用角度来看，CNT的成本昂贵。
[0004] 石墨帰纳米片（GNs)是一种二维面层结构的材料，具有良好的机械性能巧日高弹性 模量、高硬度和高初性）和润滑性能，极大的比表面积和高烙沸点，在低剂量使用时还具有 良好的生物相容性。目前石墨帰主要研究用于改善陶瓷块体、合金、高聚物的机械性能(初 性、耐磨性等)、电学性能及热学性能等。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术中纯相陶瓷涂层耐磨性能达不到越来越高的使用要求，同时 碳纳米管（CNT)用于陶瓷复合涂层中，摩擦性能不够理想(主要表现是摩擦系数上升）且成 本昂贵的技术问题，目的之一在于提供一种用于陶瓷涂层的复合粉体组合物，所述组合物 不但包括氧化纪稳定的氧化铅粉体，而且还包括石墨帰纳米片（GNs)。
[0006] G化作为纳米增强剂分散在氧化铅粉体的颗粒之间，可有效抑制裂纹的萌生和拓 展，减少陶瓷涂层中扁平颗粒的脱落，同时作为典型的二维层状碳材料具有良好的润滑性 能，有望改善氧化铅陶瓷涂层的耐磨性。本发明的用于陶瓷涂层的复合粉体组合物，除了可 用作工业耐磨材料外，还具有应用于生物耐磨界面的巨大潜力。
[0007] 在本发明中，石墨帰纳米片：氧化铅粉体为0. 5~5wt%:95~99. 5wt%，优选为 0. 8 ~3wt%:97 ~99. 2wt%，更优选 1 ~1. 5wt%:98. 5 ~99wt〇/〇。
[000引所述的石墨帰纳米片（GNs)为厚度5~20nm、面内直径小于lOOnm的石墨帰纳 米片；所述的氧化铅粉体为氧化纪稳定的氧化铅粉体（YSZ)，其中每Imol的Zr化用3~ 3. 5mol%优选用3. 2mol%的Y2O3稳定；所述的复合粉体组合物的粒径为15~100 ji m。
[0009] 本发明的目的之二在于提供一种制备本发明的用于陶瓷涂层的复合粉体组合物 的方法，所述的方法可W为机械球磨法，也可W为喷雾热解法，还可W为溶胶凝胶法，优选 为机械球磨法，可W制备出流动性较好的复合粉体组合物，其中，机械球磨法为：将石墨帰 纳米片、氧化铅粉体与氧化铅研磨球混合均匀，放入聚四氣己帰的研磨罐中，在行星球磨机 中进行球磨，过筛并烘干得到用于陶瓷涂层的复合粉体组合物，其中复合粉体组合物：氧 化铅研磨球的质量比为1:1~3,优选为1:1. 8~2. 2,更优选为1:2。
[0010] 其中，氧化铅研磨球为每Imol的Zr〇2球用3mol%Y2〇3稳定。
[0011] 其中，行星球磨的转速为300~5(K)r/min，行星球磨时间为60~300min，然后过 40目筛并在100~12(TC下烘干。
[0012] 本发明的目的之H在于提供一种陶瓷涂层，其特征在于，该陶瓷涂层为本发明的 组合物经等离子体喷涂工艺喷涂而成的陶瓷涂层。
[0013] 本发明的目的之四在于提供一种制备本发明的陶瓷涂层的方法，该方法为，采用 等离子体喷涂工艺，将本发明的组合物喷涂到经表面处理的金属基材表面而得到。本发明 采用等离子体喷涂工艺可W使得含有石墨帰纳米片的复合粉体组合物W极高的速度穿过 火焰，确保组合物融化的同时将石墨帰纳米片的破坏程度降低至最低程度。
[0014] 其中，所述的等离子体喷涂工艺的参数如下；等离子体气体Ar流量为30~ 45slpm，等离子体气体&流量为6~15slpm，复合粉体组合物载气Ar流量为2~4slpm， 喷涂距离为100~120mm，喷涂功率为35~55kW，送粉速率为10~30g ? min-i。其中，单 位slpm为标准升/分钟。
[0015] 其中，所述的金属基材为不镑钢、纯铁或铁合金基材，所述铁合金优选为 Ti-6A^4V合金；所述的表面处理为；先用喷砂处理或砂纸打磨，然后在无水己醇溶液中超 声清洗1~2次，每次3~5min，最后在80~12CTC干燥1~化；所述喷砂处理的压强优 选为 0. 1 ~0. 5MPa〇
[0016] 本发明的积极进步效果在于：由本发明的复合粉体组合物喷涂到金属基材上而得 到的陶瓷涂层，具有明显优于纯相氧化铅涂层的耐磨性，尤其在高载荷条件下可W明显减 少因摩擦产生的磨屑，显著降低平均磨损速率；并且石墨帰纳米片的加入降低了陶瓷涂层 的摩擦系数，尤其是在较高载荷条件下该一趋势更加明显。本发明为提高陶瓷涂层的耐磨 性提供一种行之有效的解决方案；并且，本发明的方法具有操作简单、效率高、可重复性好、 适合规模化生产等优点。本发明的含有石墨帰纳米片的复合粉体组合物用于陶瓷涂层，可 改善氧化铅陶瓷涂层的脆性和耐磨性，除了可应用于工业耐磨界面外，还具有应用于生物 耐磨界面的巨大潜力。本发明的方法具有操作简单、效率高、可重复性好、适合规模化生产 等优点。
[0017] 实验证明，本发明中含有石墨帰和氧化铅的复合粉体组合物经过大气等离子体 喷涂工艺，大部分石墨帰片层完整保持其片层结构。碳含量测定显示，GZ1陶瓷涂层（复合 粉体组合物中石墨帰的添加量Iwt%)中C含量为0. 64wt%，存在状态如图2所示。分别在 10N、50N、100NH种不同的载荷下测试陶瓷涂层（陶瓷涂层按照实施例1制备及测试）的摩 擦磨损性能，相对于GZO陶瓷涂层(纯相YSZ)，GZ1陶瓷涂层平均磨损速率分别降低了 45%、 57. 5%、34. 2% (图4所示)，具有良好的耐磨性。
【附图说明】
[0018] 图1是本发明的复合粉体组合物和陶瓷涂层（GZ1)的X畑图谱，其中，a是本发明 的复合粉体组合物的XRD图谱，b是本发明的陶瓷涂层（GZ1)的XRD图谱。
[0019] 图2是本发明的陶瓷涂层（GZ1)与现有技术中的氧化铅陶瓷涂层（GZ0)的拉曼 图谱，其中，a是现有技术中的氧化铅陶瓷涂层（GZ0)的拉曼图谱；b是本发明的陶瓷涂层 (GZ1)的拉曼图谱。
[0020] 图3是本发明的陶瓷涂层（GZ1)的扫描电镜照片，其中，a是本发明的陶瓷涂层 佑Z1)表面照片，b