一种用于增材制造喂料的纳米锆酸钐粉体的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于增材制造喂料的纳米粉体的制备方法。
【背景技术】
[0002]Sm2Zr207 (SZ)材料的高温化学稳定性好，抗烧结能力强，在高温下无相变，热导率低，热膨胀系数要比相同晶体结构的La2Zr207大，研究表明Ce掺杂可进一步减低其热导率，Sm2Zr207是一类重要的结构陶瓷与功能陶瓷材料，也是热障涂层重要的候选材料之一。
[0003]Sm2Zr207材料虽然具有优异的热力学性能，但用其作为热障涂层的候选材料的致命的弱点是热膨胀系数仍然较小(室温?1200°C )和断裂韧性低。热膨胀系数小就会导致SZ层与高温合金基体或金属粘结层之间存在较大的热膨胀系数的差异，从而会直接导致喷涂态的涂层体系或者在热震过程中的涂层体系的界面之间产生较大的残余应力，从而促使涂层过早地失效，为了弥补热膨胀系数的不足，Sm2Zr207通常与YSZ (氧化钇稳定的氧化锆)层一起组成双陶瓷层热障涂层。断裂韧性低，则会直接导致涂层的抗热震因子低，这是因为陶瓷涂层的抗热震性能与其断裂韧性呈正向关系。
[0004]纳米科学与技术的发展使得传统材料通过纳米技术改性成为可能，纳米技术改性的核心思想就是要控制材料晶粒的形核和晶粒地长大，从而达到晶粒细化对材料实现增韧的效果。
[0005]纳米结构Sm2Zr207相对于传统Sm 2Zr207晶粒更加细小，因此具有更高的韧性，此夕卜，纳米Sm2Zr207晶粒尺寸细小，具有更大的晶界面积，将有利于增强声子的散射，减小声子传播的平均自由程，从而降低涂层的有效热导率，提高涂层的隔热效果。目前的研究结果皆表明，纳米粉体比传统的微米粉体具有更加优异的性能，因此制备纳米SZ (或SZfi X，C为稀土元素)热喷涂粉体的关键在于获得晶粒尺度在lOOnm以下，团聚型的，流动性较好，振实密度和松装密度大的可喷涂SZ(或SZ.Q x)粉体喂料。目前报道的制备稀土锆酸盐粉体的方法主要为液相(溶液)法，这些方法虽然有一定优点，但是还是存在着一些不足。如在专利CN102030368A中，采用稀土硝酸盐作为原料，并利用C2H50H和H20作为溶剂，再添加柠檬酸和聚乙二醇制得溶胶，然后采用煅烧法制备出前驱体粉体，再经过高温煅烧热处理，得到需要的单相稀土锆酸盐粉体。尽管该方法制备的粉体粒度较小，分布较为均匀，但是得不到理想的可用于喷涂的陶瓷粉体，并且工艺过程较为复杂，不利于工业上的规模化生产。共沉淀法是一种常见的液相合成方法，一般是在复合稀土溶液中加入沉淀剂，得到氢氧化物沉淀，再经过过滤、洗涤、脱水、干燥、煅烧等过程，得到锆酸盐粉体，这种方法易于实施，可制得粒度小、成分较易控制的纳米粉体，但不足之处在制得的粉体往往存在较多的硬团聚体。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决目前制备锆酸盐粉体的方法得不到可用于喷涂的陶瓷粉体，工艺过程复杂，不利于工业上的规模化生产、制得的粉体往往存在较多的硬团聚体的技术问题，而提供一种用于增材制造喂料的纳米锆酸钐粉体的制备方法。
[0007]本发明的一种用于增材制造喂料的纳米锆酸钐粉体的制备方法是按以下步骤进行的:
[0008]—、制备混合浆料:将去离子水和纳米混合粉体混合球磨12h，得到混合浆料I ;所述的纳米混合粉体为纳米Sm203与纳米ZrO 2的混合物，其中，纳米Sm 203与纳米ZrO 2的摩尔比为1:2 ;所述的混合浆料I中去离子水的质量分数为40%?50% ；
[0009]二、喷雾干燥:将得到混合浆料I进行喷雾干燥，得到混合粉体I ;所述的喷雾干燥时雾化盘的转速为24900r.min 1?25100r.min \进口温度为217°C?223°C，出风温度为109°C?111°C，浆料的送料率为5.1L.min 1?5.7L.min S
[0010]三、高温固相烧结:将步骤二得到的混合粉体I在温度为1545°C?1555°C的条件下高温固相烧结反应5h，得到Sm2Zr207粉体；
[0011 ] 四、二次球磨:将去离子水和步骤三得到的Sm2Zr207粉体进行混合球磨12h，得到混合浆料II ;所述的混合浆料II中去离子水的质量分数为30%?40% ;
[0012]五、喷雾干燥:将步骤四得到的混合浆料II进行喷雾干燥，得到混合粉体II ;所述的喷雾干燥时雾化盘的转速为24900r *min 1?25100r *min \进口温度为227°C?233°C，出风温度为109°C?111°C，浆料的送料率为8.9L.min 1?9.5L.min S
[0013]六、等离子体处理:将步骤五得到的混合粉体II进行等离子体处理，得到纳米Sm2Zr207粉体；所述的等离子体处理的主气体为氢气，主气流量为120SCFH，载气为氩气，载气流量为50SCFH，喷涂流量为600A，喷涂电压为60V，送粉速率为2kg/h。
[0014]本发明的一种用于增材制造喂料的铈掺杂纳米锆酸钐粉体的制备方法是按以下步骤进彳丁的:
[0015]—、制备混合浆料:将去离子水和纳米混合粉体混合球磨12h，得到混合浆料I ;所述的纳米混合粉体为纳米Sm203、纳米Zr02和纳米0602按照化学式Sm；；{lrxCel x)207的化学计量比称量混合后的混合物，0 < X < 1 ;所述的混合浆料I中去离子水的质量分数为40%?50% ；
[0016]二、喷雾干燥:将得到混合浆料I进行喷雾干燥，得到混合粉体I ;所述的喷雾干燥时雾化盘的转速为24900r.min 1?25100r.min \进口温度为217°C?223°C，出风温度为109°C?111°C，浆料的送料率为5.1L.min 1?5.7L.min S
[0017]三、高温固相烧结:将步骤二得到的混合粉体I在温度为1545°C?1555°C的条件下高温固相烧结反应5h，得到SmJZrxCei丄07粉体；
[0018]四、二次球磨:将去离子水和步骤三得到的Sm2(ZrxCei x)207粉体进行混合球磨12h，得到混合浆料II ;所述的混合浆料II中去离子水的质量分数为30%?40% ;
[0019]五、喷雾干燥:将步骤四得到的混合浆料II进行喷雾干燥，得到混合粉体II ;所述的喷雾干燥时雾化盘的转速为24900r *min 1?25100r *min \进口温度为227°C?233°C，出风温度为109°C?111°C，浆料的送料率为8.9L.min 1?9.5L.min S
[0020]六、等离子体处理:将步骤五得到的混合粉体II进行等离子体处理，得到纳米Sm2(ZrxCei χ)2(Μ^ΜΨ ;所述的等离子体处理的主气体为氢气，主气流量为120SCFH，载气为氩气，载气流量为50SCFH，喷涂流量为600Α，喷涂电压为60V，送粉速率为2kg/h。
[0021]本发明步骤四中的二次球磨主要目的是充分打碎烧结后的Sm2Zr207或Sm2(ZrxCei x)2(Mt体的物理上的硬团聚，便于制备粘度均匀流动性好的浆料进行二次喷雾干燥。
[0022]本发明步骤五中的二次喷雾造粒，浆料的含水量要比一次喷雾干燥的低些，从而导致其固相含量更高，能得到表面光滑，内部致密的粉体，
[0023]本发明步骤六对喷雾干燥后的Sm2Zr207或SmJZrxCei x) 207粉体进行等离子体处理的目的是去除粉体里的有机粘结剂等杂质，进一步提高二次喷雾干燥后Sm2Zr207粉体的致
Fth也/又。
[0024]本发明的喷雾造粒过程必须控制在2次，喷雾造粒过程的出口温度必须严格控制在110±1°C，否则极有可能出现黏壁现象，无法正常收集喷雾干燥的粉体。
[0025]1SCFH = 0.472L/min。
[0026]本发明的优点:
[0027]1、本发明制备的纳米Sm2Zr207粉体和SmJZi^Cei丄07粉体为单相烧绿石结构、抗烧结性能优异，粒度为10 μπι?100 μπκ是纳米结构团聚体喂料，松装密度和振实密度高，且流动性好，完全满足等离子喷涂要求；
[0028]本发明制备的纳米Sm2Zr207粉体和SmJZi^Cei x) 207粉体球形度好，高温下相结构稳定，特别适用于双陶瓷层热障涂层的顶层，可应用于航空航天发动机和地面与船舶燃气轮机上用的涂层；
[0029]2、本发明采用固相烧结法制备用作增材制造特别是热喷涂的纳米结构的Sm2Zr207粉体和Sm2(ZrxCei:()207粉体，避免了化学溶液法剩余液对环境的污染，而本发明只要喷雾干燥过程中的出风除尘设备运转正常，可以极大地减少污染，具有环境友好性。
[0030]3、本发明的制备方法工艺流程少，生产周期短，仅需2?3天，设备简单，工艺参数易于控制，易于大规模工业化生产，并且制备量大，可以推广到其它类似新型锆酸盐，铝酸盐涂层喂料的制备，这些都是未来新型热障涂层的候选材料。
【附图说明】
[0031]图1是试验一步骤五得到混合粉体II表面的SEM图；
[0032]图2是试验二步骤五得到混合粉体II表面的SEM图；
[0033]图3是试验一步骤五得到混合粉体II截面的SEM图；
[0034]图4是试验二步骤五得到混合粉体II截面的SEM图；
[0035]图5是试验一步骤六得到纳米Sm2Zr207表面的SEM图