/yag非晶/共晶复合陶瓷涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种原位形成非晶/共晶复合陶瓷涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。
【背景技术】
[0002]高速、高载、高温、富氧、强腐蚀等一种或几种复合苛刻工况要求材料应具有高硬度、高强韧性、优异的耐高温和抗氧化性能、耐腐蚀、良好的抗热冲击性能等。现有单一结构材料不能满足以上特殊工况对其表面性能的要求。开发一种针对复合苛刻工况新的结构材料成本较高、周期较长。大量研究表明，在现有结构材料(尤其是金属材料)表面制备陶瓷涂层的方法是提高金属基体耐磨损、耐高温、耐腐蚀、抗氧化等性能的重要途径之一。
[0003]现有制备陶瓷涂层技术有很多种，包括:热喷涂、激光熔覆、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、溶胶凝胶法等。传统气相沉积制备的陶瓷涂层不仅厚度偏小(最大厚度为几微米至十几微米)，而且工件尺寸较小;溶胶凝胶法制备的陶瓷涂层与基底结合强度较低;激光熔覆制备的陶瓷涂层，具有冶金结合强度高、组织细密、气孔率低等特点，但是该工艺过程会引入较大的残余内应力并可诱发金属基体氧化或相变，产生工件变形和熔覆层裂纹，疲劳力学性能降低，易导致涂层失效。热喷涂技术以其喷涂材料范围广泛、基底沉积温度范围宽、涂层厚度可控且范围大(几微米至几毫米)、工艺稳定性好、涂层质量可靠的优势成为制备陶瓷涂层的有效工艺方法，并已在航天、航空、汽车、机械、能源、冶金、石化、船舶等方面获得广泛的应用。
[0004]氧化物陶瓷材料(如Al2O3、Cr2O3等)具有高强度、高硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等特点，表现出较好的综合性能，作为热喷涂涂层材料应用于高比压(即高PV值:P是接触压强;V是摩擦速率)、高温、富氧、强腐蚀等苛刻磨损服役工况具有较好的潜力。然而，氧化物陶瓷韧性较低，裂纹敏感性强，制约了其应用。以往的研究基本集中在提高热喷涂氧化物陶瓷涂层的强韧性。主要方法如下:①单一气孔率调控;②添加金属第二相(Al、Mo等)；③添加其它化合物(ZrO2、T12等)；④涂层结构纳米化;⑤涂层成分或结构梯度变化;⑥涂层后处理(激光重熔、强流脉冲电子束重熔)。
[0005]以往氧化物陶瓷涂层强韧性改善方法各有其特点，但均存在一些明显问题:①单一气孔率调控效果有限;②添加金属相可以提高涂层整体断裂韧性，但是涂层的硬度和强度下降，不利于其在苛刻工况下服役，且金属相与陶瓷基体的界面结合性能较难控制；③ZrO2的添加可以提高涂层韧性，但同时降低了涂层的导热性能，容易积聚过多热量，产生较大热失配应力导致涂层开裂或剥落失效，而T12的添加降低了涂层的高温力学性能，在高温、高承载磨损工况下，涂层的耐磨性能及寿命明显下降;④涂层结构纳米化可以有效提高其力学性能，但带来的主要问题是纳米结构涂层晶界多，声子散射大大增强，导热性能大幅度下降。此外，在高温及高摩擦热服役环境下涂层中纳米晶粒容易长大，微结构和力学性能不稳定，强韧性改善效果下降；⑤梯度变化涂层可以缓解应力集中，但往往会引入过多界面，结合强度低，易剥落失效;⑥涂层喷涂后再进行激光或强流脉冲电子束重熔处理，可使涂层与基体实现冶金结合，提高涂层致密性，增强其结合力和耐磨损、耐腐蚀等性能。但是，这种重熔过程能量很高及引发剧烈的热力耦合作用，涂层材料易被烧损，失去喷涂材料原有的优异性能，易产生较大的残余应力及较多的裂纹，最终导致涂层性能下降，不利于其在疲劳服役工况下应用。
【发明内容】
[0006]针对上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种原位形成非晶/共晶复合陶瓷涂层及其制备方法，以使其在高温或高比压(即高PV值)引发的高摩擦热条件下应用，可有效提高陶瓷涂层的致密性、力学性能、导热性能、微结构稳定性及层间结合性能，可避免重熔后处理过程中涂层成分受热分解、过热烧损、引入较大残余应力等对涂层性能及寿命的不利影响。
[0007]一方面，本发明提供一种A1203/Y3A15012(YAG)非晶复合陶瓷涂层，所述非晶复合陶瓷涂层的主体是非晶相的Al2O3和Y3Al5O12，并在主体中弥散分布有Ct-Al2O3晶粒和Y3Al5O12晶粒，所述非晶复合陶瓷涂层中，Al2O3的质量分数为22%?54% ,Y3Al5O12的质量分数为46%
?78% ο
[0008]本发明制备的非晶复合陶瓷涂层，涂层结构致密，气孔率较低，层间界面结合较好，非晶相主体部分含有较多的自由体积，在变形时可以有效形成剪切带，使其具有较高的断裂韧性;非晶态结构的主体部分可以改善非晶复合陶瓷涂层的耐蚀性能；同时，涂层中弥散分布的少量纳米晶粒可以提高涂层的力学性能和耐磨性能。
[0009]较佳地，所述非晶复合陶瓷涂层的厚度为50?500μπι。
[0010]另一方面，本发明提供一种A1203/YAG共晶复合陶瓷涂层，所述涂层由C1-Al2O3晶粒和Y3Al5O1^aB粒组成，所述涂层的截面形貌呈现出三维互穿网络自锁结构，所述涂层中，Al2O3的质量分数为22%?54% ,Y3Al5O12的质量分数为46%?78%。
[0011]本发明的共晶复合陶瓷涂层中，(A1203+YAG)共晶相形成三维互穿网络自锁结构，相尺寸很难长大，具有很好的高温微结构稳定性;同时，共晶复合陶瓷涂层的力学性能和导热性能大大提高，在高比压、高温、富氧、强腐蚀等苛刻工况下具有很好的应用前景。
[0012]较佳地，所述共晶复合陶瓷涂层的厚度为50?500μπι。
[0013]第三方面，本发明提供上述A1203/YAG非晶复合陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤:
(1)将Al2O3粉末和Y2O3粉末混合均匀，造粒得到A1203/Y203复合粉体，其中Al2O3粉末的质量分数范围为55%?80% ,Y2O3粉末的质量分数范围为20%?45% ；
(2)采用热喷涂将步骤(I)制得的Α1203/Υ203复合粉体沉积于基材表面，即制得所述A1203/YAG非晶复合陶瓷涂层。
[0014]第四方面，本发明提供上述A1203/YAG共晶复合陶瓷涂层的制备方法，将根据上述A1203/YAG非晶复合陶瓷涂层的制备方法制得的A1203/YAG非晶复合陶瓷涂层在大气条件下于950?1200°C保温4?10小时，即制得所述A1203/YAG共晶复合陶瓷涂层。
[0015]本发明利用热喷涂具有高热焓、陡的温度梯度及快速凝固的特点，设计合理的复合粉体组分，原位喷涂制备得到非晶复合陶瓷涂层，涂层主体部分为非晶态结构，相比于激光熔覆或激光重熔获得非晶陶瓷涂层的技术，解决了激光加工过程中，由于剧烈的热力耦合作用产生很大的残余应力、涂层材料过热烧损、基体氧化或相变，导致陶瓷涂层易产生裂纹、疲劳寿命下降的缺陷，可大大提高成品率，降低生产成本。
[0016]本发明对原位制备的非晶复合陶瓷涂层进行热处理，即可获得共晶复合陶瓷涂层，方法简单易行。而且，制得的共晶复合陶瓷涂层涂层致密度高，气孔率低，两相界面结合牢固。
[0017]较佳地，步骤(I)中，将Al2O3和Y2O3粉末进行湿法球磨混合均匀，配置成悬浮稳定浆料后进行喷雾造粒得到Α1203/γ203复合粉体。本发明采用喷雾造粒法制备Α1203/γ203复合粉体，该方法的优点是:喷雾干燥的操作是连续的、可控的，适用于热敏性和非热敏性物料的干燥，适用于水溶液和有机溶剂物料的干燥，原料液可以是溶液、浆料、乳浊液、糊状物等，具有非常大的灵活性、良好的粉体质量稳定性和较高的制粉效率，所制备的粉体成分均匀、物化性能好、球形度较佳。
[0018]较佳地，步骤(I)制得的Α1203/γ203复合粉体在热喷涂之前进行热处理，所述热处理的温度为900?1200°C，热处理时间为2?6小时。根据本发明，采用热处理对造粒得到的原始Α1203/Υ203复合粉体进行致密化处理，以提高复合粉体的强度，实现有效沉积。
[0019]更优选地，所述热处理之后进行过筛处理，获得复合粉体粒度分布范围为15?45μm。根据本发明，可以获得具有适合于热喷涂的粒径的复合粉体。
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