一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开的是一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，首先将粒度为20～80nm的ZrO2、Y2O3、TiO2和CeO2陶瓷粉体置于研磨机中进行充分混合，获得浆料；然后采用喷雾干燥法将浆料制备成粒径10～70μm的球形粉体，采用电阻炉对球形粉体进行高温烧结处理，采用等离子喷涂方法在合金或不锈钢表面制备厚度10～200μm的粘结层，采用等离子喷涂方法在上述粘结层上制备厚度50～500μm的氧化锆陶瓷层，该技术可以大幅提高陶瓷层的韧性，有效提高陶瓷涂层的结合强度，涂层的结合强度可以提高3～5MPa，使用寿命提高了5～7倍，为提高陶瓷涂层寿命提供了一种新的技术途径。
【专利说明】一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面工程【技术领域】，具体是涉及一种大幅提高陶瓷涂层强度和韧性的制备方法，同时也是一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]先进陶瓷材料具有十分优异的强度和化学稳定性，已被广泛应用于各种耐磨抗蚀场合。其中氧化物陶瓷，如氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化铬、氧化硅等还被作为涂层材料用来提高整体材料的表面性能。
[0003]以氧化铝为基的多组分氧化物陶瓷材料已被多次报道过，如美国专利US4141743就曾描述过含有氧化铬、氧化镁、氧化钛、氧化铁和氧化铝的适用于热喷涂耐磨抗蚀涂层的复合材料粉末；美国专利US5059095还报道了使用氧化铝/氧化锆陶瓷涂层的透平机叶片；另一项美国专利US5498269则公布了一种由氧化铝、氧化锆和很少量稀土氧化物制成的陶瓷磨料。氧化锆或部分稳定氧化锆也已被加入到了热喷涂陶瓷涂层中。如美国专利US5498484和US5530050已将氧化锆或部分稳定氧化锆用于热障涂层系统中。
[0004]然而，目前的陶瓷材料普遍存在脆性和低热震抗力两大缺点，限制了陶瓷材料的使用范围。根据材料学和摩擦学原理，陶瓷材料的耐磨性不仅与材料的硬度有关，更取决于材料的韧性。而多晶团细化无疑会增加强度和韧性，从而提高陶瓷材料的耐磨性。因此，多晶团细化材料的研究与开放必将扩大陶瓷材料的工业应用。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，增加陶瓷涂层的强度和韧性，从而提高陶瓷材料的耐磨性，解决了现有技术中存在的技术问题。
[0006]本发明涉及一种大幅提高陶瓷涂层强度和韧性的制备方法，利用等离子喷涂法制备具有氧化锆多晶团的纳米氧化锆陶瓷层，同时也是一种获得氧化锆多晶团的制备方法。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下:
[0009]步骤1:将粒度为 20 ?80nm 的 40 ?70vol % 的 ZrO2、10 ?20vol % 的 Y2O3、20 ?30vol %的T12和3?1vol %的CeO2陶瓷粉体置于研磨机中进行充分混合，获得浆料；
[0010]步骤2:采用喷雾干燥法将步骤I获得的浆料制备成粒径为10?70 μ m的球形粉体；
[0011]步骤3:采用电阻炉对步骤2得到的球形粉体进行高温烧结处理，得到陶瓷面层球形粉体；
[0012]步骤4:采用等离子喷涂方法在合金或不锈钢表面制备厚度为10?200 μ m的粘结层；
[0013]步骤5:在上述步骤4获得的粘结层上，将步骤3所得到的陶瓷面层球形粉体采用等离子喷涂方法制备富含多晶团的厚度为50?500 μ m的陶瓷面层。
[0014]在一个优选的技术方案中，步骤4和步骤5中所述的等离子喷涂为低压等离子喷涂或大气等离子喷涂。
[0015]在一个优选的技术方案中，所述的粘结层为NiCoCrAl粘结层。
[0016]在一个优选的技术方案中，步骤I中所述的球磨的条件是:研磨机功率3kW，容积3升，研磨球为直径5mm的ZrO2磨球,转速200?900转/分。
[0017]在一个优选的技术方案中，步骤2中所述的喷雾干燥的条件是:喷雾干燥温度160?280°C，风量5?50L/min，雾化盘转速1500?3000转/分。
[0018]在一个优选的技术方案中，步骤3中所述的烧结处理的条件是:加热至800?1500°C，保温I?10h，升温速率为10?60°C /min。
[0019]在一个优选的技术方案中，步骤4中所述的等离子喷涂的条件是:
[0020]a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数
[0021 ] 电压:70 ?90V电流:500 ?600A
[0022]N2 压力:30 ?50barN2 流量:70 ?90SCFH
[0023]H2 压力:50 ?70barH2 流量:30 ?50SCFH
[0024]b.送粉器参数
[0025]送粉率:6?8磅/小时
[0026]试验参数:振动送粉器电压130?150V ;
[0027]N2 流量 0.4 ?0.6L/min ；压力 0.2 ?0.4kg.f/cm2。
[0028]在一个优选的技术方案中，步骤5中所述的等离子喷涂的条件是:
[0029]a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数
[0030]电压:70?90V ；电流:450 ?600A ；
[0031]N2 压力:30 ?50bar ; N2 流量:70 ?90SCra ;
[0032]H2 压力:50 ?70bar ; H2 流量:20 ?40SCra ;
[0033]b.送粉器参数
[0034]送粉率:7?10磅/小时
[0035]试验参数:振动送粉器电压130?150V ;
[0036]N2 流量 0.5 ?0.8L/min ;压力 0.1 ?0.5kg.f/cm2。
[0037]采用步骤5中所述的工艺参数能够使得陶瓷粉体在熔化、喷射、沉积成为陶瓷涂层的过程中，将粉体中的纳米级晶粒保留下来，在涂层内部获得大量的多晶团结构，从而提高制备得到的氧化锆陶瓷面层的强度和韧性。
[0038]本发明的有益效果是:
[0039]采用本发明的方法可以在陶瓷粉体熔化、喷射、沉积成为陶瓷涂层的过程中，将粉体中的纳米级晶粒保留下来，在氧化锆陶瓷涂层内部获得大量的多晶团结构，所述的多晶团结构能够给氧化锆陶瓷涂层带来如下的优点:
[0040]1.大幅提高陶瓷层的韧性
[0041]当裂纹尖端进入多晶团后，多晶团可吸收部分裂纹能量，有效阻止裂纹进一步扩展，所以氧化锆多晶团可抑制裂纹扩展，大幅提高涂层的强韧性和耐磨性能。
[0042]2.有效提高陶瓷涂层的结合强度
[0043]多晶团还可有效降低陶瓷涂层的热应力。涂层强度试验表明，氧化锆多晶团可提高涂层的结合强度3?5MPa，使用寿命提高了 5?7倍。下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0044]说明书附图
[0045]图1是氧化锆陶瓷涂层图；
[0046]图2是涂层中的氧化锆多晶团图；
[0047]图3是氧化锆多晶团的扫描电镜照片图；
[0048]图4是氧化锆多晶团的透射电镜照片图。
【具体实施方式】
[0049]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0050]本项技术利用等离子喷涂法制备具有氧化锆多晶团的纳米氧化锆陶瓷层。具体过程为:
[0051]将粒度为20 ?80nm 的 ZrO2 (40 ?70% ) ,Y2O3(10 ?20% ) ,T12 (20 ?30% )和CeO2(3?10% )陶瓷粉体置于研磨机中进行充分混合，获得浆料。
[0052]采用喷雾干燥法将浆料制备成粒径10?70 μ m的球形粉体。
[0053]采用电阻炉对球形粉体进行高温烧结处理。
[0054]采用低压等离子喷涂、大气等离子喷涂等方法在合金或不锈钢表面制备厚度10?200 μ m的粘结层。
[0055]在上述步骤4获得的粘结层上，将步骤3所得到的陶瓷面层球形粉体采用等离子喷涂方法制备富含多晶团的厚度为50?500 μ m的陶瓷面层。
[0056]步骤I)所述球磨的条件是:
[0057]研磨机功率3KW,容积3升,研磨球为直径5mm的ZrO2磨球,转速200-900转/分。
[0058]步骤2)所述喷雾干燥的条件是:
[0059]喷雾干燥温度160?280°C，风量5?50L/min，雾化盘转速1500?3000转/分。
[0060]步骤3)所述烧结处理的条件是:
[0061]800 ?1500°C保温 I ?10h，升温速率为 10 ?60°C /min。
[0062]步骤4)所述等离子喷涂的条件是:
[0063]a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数
[0064]电压:70 ?90V 电流:500 ?600A
[0065]N2 压力:30 ?50bar N2 流量:70 ?90SCFH
[0066]H2 压力:50 ?70bar H2 流量:30 ?50SCFH
[0067]b.送粉器参数
[0068]送粉率:6?8磅/小时
[0069]试验参数:振动送粉器电压130?150V ；
[0070]N2 流量 0.4 ?0.6L/min ； 压力 0.1 ?0.4kg.f/cm2。
[0071]步骤5)所述等离子喷涂的条件是:
[0072]a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数
[0073]电压:70?90V电流:450 ?600A
[0074]N2 压力:30 ?50barN2 流量:70 ?90SCFH
[0075]H2 压力:50 ?70bar H2 流量:20 ?40SCFH
[0076]b.送粉器参数
[0077]送粉率:7?10磅/小时
[0078]试验参数:振动送粉器电压130?150V ;
[0079]N2 流量 0.5 ?0.8L/min ； 压力 0.1 ?0.5kg.f/cm2。
[0080]实施例1
[0081 ] 以TC4为基体，通过线切割加工成30 X 30 X 5mm的试样。使用汽油和酒精依次对试样进行油污超声波清洗，在0.2MPa气压下采用棕刚玉对试样表面进行喷砂处理；采用等离子喷涂在喷砂过的试样表面制备厚度20 μ m的NiCoCrAl粘结层，其中喷涂参数为电压55V ；电流 500A ；N2 压力 45bar ；N2 流量 90SCFH ；H2 压力 50bar ；H2 流量 15SCFH ;喷涂距离 300mm ；使用等离子喷涂在粘结层上制备厚度250 μ m的ZrO2陶瓷层，其中喷涂参数为:电压65V ；电流 6OOA ；N2 压力 48bar ；N2 流量 100SCFH ；H2 压力 50bar ；H2 流量 I5SCFH ;喷涂距离 300mm。
[0082]实施例2
[0083]以304不锈钢为基体，通过线切割加工成30 X 30 X 5mm的试样。使用汽油和酒精依次对试样进行油污超声波清洗，在0.3MPa气压下采用棕刚玉对试样表面进行喷砂处理；采用等离子喷涂在喷砂过的试样表面制备厚度30 μ m的NiCoCrAl粘结层，其中喷涂参数为电压55V ；电流5OOA ；N2压力45bar ；N2流量9OSCFH ；H2压力5Obar ；H2流量I5SCFH ;喷涂距离300mm ；使用等离子喷涂在粘结层上制备厚度200 μ m的ZrO2陶瓷层，其中喷涂参数为:电压 65V ；电流 580A ；N2 压力 45bar ；N2 流量 100SCFH ；H2 压力 55bar ；H2 流量 15SCFH ;喷涂距离 300mm。
[0084]实施例3
[0085]以42CrMo钢为基体，通过线切割加工成30X 30X 5mm的试样。使用汽油和酒精依次对试样进行油污超声波清洗，在0.2MPa气压下采用棕刚玉对试样表面进行喷砂处理；采用等离子喷涂在喷砂过的试样表面制备厚度35 μ m的NiCoCrAl粘结层，其中喷涂参数为电压 55V ；电流 5OOA ；N2 压力 45bar ；N2 流量 9OSCFH ；H2 压力 50bar ；H2 流量 I5SCFH ;喷涂距离300mm ；使用等离子喷涂在粘结层上制备厚度300 μ m的ZrO2陶瓷层，其中喷涂参数为:电压70V ；电流600A ；N2压力48bar ；N2流量90SCFH ；H2压力50bar ；H2流量15SCFH ;喷涂距离300mmo
【权利要求】
1.一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下:步骤1:将粒度为20?80nm的40?70vol %的Zr02、10?20vol %的Y203、20?30vol %的T12和3?1vol %的CeO2陶瓷粉体置于研磨机中进行充分混合，获得浆料；步骤2:采用喷雾干燥法将步骤I获得的浆料制备成粒径为10?70 μ m的球形粉体；步骤3:采用电阻炉对步骤2得到的球形粉体进行高温烧结处理，得到陶瓷面层球形粉体； 步骤4:采用等离子喷涂方法在合金或不锈钢表面制备厚度为10?200 μ m的粘结层；步骤5:在上述步骤4获得的粘结层上，将步骤3所得到的陶瓷面层球形粉体采用等离子喷涂方法制备富含多晶团的厚度为50?500 μ m的陶瓷面层。
2.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤4和步骤5中所述的等离子喷涂为低压等离子喷涂或大气等离子喷涂。
3.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:所述的粘结层为NiCoCrAl粘结层。
4.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤I中所述的球磨的条件是:研磨机功率3kW，容积3升，研磨球为直径5mm的ZrO2磨球，转速200?900转/分。
5.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤2中所述的喷雾干燥的条件是:喷雾干燥温度160?280°C，风量5?50L/min，雾化盘转速1500 ?3000 转 / 分。
6.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤3中所述的烧结处理的条件是:加热至800?1500°C，保温I?10h，升温速率为10?60°C /min0
7.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤4中所述的等离子喷涂的条件是: a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数 电压:70?90V ；电流:500?600A ； N2 压力:3O ?5Obar ; N2 流量:7O ?9OSCi7H ; H2 压力:50 ?70bar ; H2 流量:30 ?50SCFH ; b.送粉器参数 送粉率:6?8磅/小时； 试验参数:振动送粉器电压130?150V ；
N2 流量 0.4 ?0.6L/min ； 压力 0.2 ?0.4kg.f/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种氧化锆多晶团陶瓷涂层的制备方法，其特征在于:步骤5中所述的等离子喷涂的条件是: a.Metcor9MB等离子喷涂设备参数 电压:70?90V ；电流:450?600A ； N2 压力:3O ?5Obar ; N2 流量:7O ?9OSCi7H ; H2 压力:5O ?7Obar ; H2 流量:20 ?40SCra ; b.送粉器参数送粉率:7?10磅/小时；试验参数:振动送粉器电压130?150V ；N2 流量 0.5 ?0.8L/min ;压力 0.1 ?0.5kg.f/cm2。
【文档编号】C23C4/10GK104451520SQ201410723907
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】张镜斌, 孙长涛, 穆耀钊, 杨艳, 陈喜锋 申请人:中国船舶重工集团公司第十二研究所