沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層及其制備方法，涉及材料加工、機械制造等領域。該方法以陶瓷粉末為原料，將粉末顆粒加熱到熔化狀態，并將基體表面加熱至與材料對應的一定溫度條件之上，進行致密陶瓷涂層的制備。該方法制備的致密結構陶瓷材料涂層的材料原料選擇范圍廣、沉積粒子結合充分、孔隙率小，具有與塊體材料相當的優越耐沖蝕、高應力磨料磨損等服役性能。本發明提供了一種等離子噴涂沉積粒子間結合充分的致密陶瓷制備新方法。
【專利說明】
沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明屬于材料加工及機械制造領域，涉及一種基于等離子噴涂法制備致密陶瓷 涂層的方法，具體涉及一種沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 等離子噴涂是制備高性能陶瓷涂層、提高材料服役性能或服役材料表面特殊功能 的重要方法。在制備涂層時，將粉末顆粒送進作為熱源的等離子射流中，被加熱至熔融或接 近熔融的狀態，依次碰撞在基體表面堆積而形成涂層。因此，涂層由源于熔融或半熔態的粒 子變形形成的圓盤狀粒子堆積而成，呈現層狀結構;而這種具有層狀結構的噴涂涂層內的 粒子層之間的界面結合狀態顯著影響著或甚至控制著涂層的各種性能。有研究表明，無論 是金屬涂層，還是熱噴涂陶瓷涂層，涂層的粒子層間結合率非常有限，最大僅為32% (見文 獻l:Li and Ohmori，J.Thermal Spray Technol.，2002，Vol.ll，pp.365_374)，而涂層的各 種力學性能（如彈性模量、斷裂韌性、沖蝕磨損率）、電導率、熱導率等都受到涂層內粒子層 之間的界面的有限結合的控制，從而表現涂層的上述性能均為相應塊體性能的10 %~30 % (如文獻2:Kuroda and Clyne，Thin Solid Films，1991，Vol.200，pp.49-66;前述文獻 1)〇 這不僅使得涂層的耐磨損性能，如耐沖蝕性能（如文獻3 : Li等，Wear，2006，Vo 1.260， pp. 1166-1172)、空蝕、微動、疲勞、高應力磨料磨損性能顯著低于同類塊體，從而使得陶瓷 材料優越的耐磨損性能難以發揮；另一方面，未結合界面與其它類型的孔隙相互連通構成 從涂層表面貫通至涂層/基體界面的貫通孔隙，使得涂層不能完全阻擋隔離腐蝕介質與基 體合金的接觸，從而使耐腐蝕性能優越的陶瓷材料制備的噴涂態涂層難以直接用作耐腐蝕 涂層。
[0003] 大量的研究表明，通過優化熱噴涂參數，如上所述典型文獻中所給出，并不能顯著 提高沉積粒子層間的結合狀態，這是由于粒子沉積時的結合界面取決于熔融粒子碰撞前的 溫度與基體在碰撞時的表面溫度。然而，由于噴涂粒子的加熱是在加速過程中進行，而任何 面向提高粒子加熱效果的噴涂參數的改變，都伴隨著增加粒子速度的效應，使得加熱時間 短縮，從而無法大幅度提高粒子溫度。另一方面，按慣例作為常規且已廣泛應用的熱噴涂實 踐中，為降低涂層材料與基體的線膨脹系數差異引起的所謂熱應力，通常在噴涂過程中需 要采用壓縮空氣冷卻等方式降低因高溫涂層材料沉積而引起的溫升，由此使得熔融粒子碰 撞前的溫度保持在較低的水平，以上兩方面因素的作用，使得等離子噴涂的陶瓷涂層，其中 的逐層沉積的粒子層間的結合有限，最大約為32%。
[0004] 考慮到基體溫度的提升可能增強粒子與基體的結合，盡管也有研究表明提高熔融 粒子碰撞前的基體溫度，可增強陶瓷粒子的結合，然而，依據迄今的研究并不知道，針對特 定陶瓷粒子材料，究竟將基體表面溫度加熱至什么溫度才能保證足夠的粒子間結合。
[0005] 綜上所述，目前尚未有充分系統的研究成果，即使對基體預熱也主要是以去除表 面以吸附水分為主的吸附物，沒有針對特定的材料給出可以確保熔融粒子沉積時充分連接 在一起的預熱溫度。因此，沒有充分確保等離子噴涂沉積陶瓷粒子間結合的基體表面溫度 值的確定方法。
【發明內容】
[0006] 為了克服上述現有技術存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種沉積粒子結合充 分的等離子噴涂致密陶瓷涂層及其制備方法，該方法可以顯著提高等離子噴涂陶瓷涂層的 耐磨損或耐腐蝕性能，或其他基于物理化學性能的應用效能;經該方法制得的致密結構陶 瓷材料涂層沉積粒子結合充分，孔隙率小，具有與塊體材料相對應的優越耐沖蝕，高應力磨 料磨損等服役性能。
[0007] 本發明是通過以下技術方案來實現：
[0008] -種沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，采用等離子射流作 為熱源，將陶瓷粉末顆粒加熱至熔融或半熔融狀態，并同時通過等離子射流的加速效應形 成高速粒子束流；
[0009] 將基體表面溫度控制在一定溫度以上的條件下，在大氣氛圍下，高速粒子束流噴 射在基體表面，使鋪展扁平化的陶瓷粒子與已沉積的粒子充分化學結合而不斷累加形成等 離子噴涂致密陶瓷涂層。
[0010] 所述將基體表面溫度控制在一定溫度TD以上，該溫度TD是根據材料熔點Tm，由公式 Td = 0 · 58xIm-890°C計算得出。
[0011] 基體表面溫度通過基體整體預熱保證，或者通過輔助熱源、激光、火焰或等離子射 流在噴涂粒子束流前方加熱保證，或者通過等離子噴涂所用的等離子射流的原位加熱效應 保證。
[0012] 陶瓷粉末顆粒選用熔點從約1000°C到3000°C以上的不同種類的氧化物陶瓷粉末 材料;陶瓷粉末顆粒的尺寸分布為10~?ΟΟμπι。
[0013] 基體表面為涂層沉積開始時的基體表面，或者為涂層沉積中的前面已沉積的陶瓷 涂層表面。
[0014] 基體材料為金屬合金材料或者無機陶瓷材料。
[0015]其特征在于，基體的結構幾何形狀為平面、圓柱面、圓錐面或是變曲率的其它曲面 表面。
[0016] 鋪展扁平化陶瓷粒子與已沉積的粒子充分化學結合的結合率達到60%以上。
[0017] 本發明還公開了采用上述的方法制得的等離子噴涂致密陶瓷涂層，所述的致密陶 瓷涂層，可用于耐磨損、耐沖蝕、耐腐蝕等保護涂層而顯著提升保護效果，或可以用作離子 導電、或電子導電、或導熱等功能涂層顯著提升傳導性能。
[0018] 與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：
[0019] 本發明公開的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，該方法以 陶瓷粉末為原料，將粉末顆粒加熱到熔化狀態，并將基體表面加熱至與材料對應的一定溫 度條件之上，進行致密陶瓷涂層的制備，是在大氣氣氛下，基于等離子噴涂方法實現制備 的，其關鍵是針對不同的陶瓷材料，是在對基體表面溫度控制的條件下制備致密的陶瓷涂 層。熔融粒子碰撞基體時在整個界面充分形成結合所需要的最低溫度與材料的熔點具有良 好線性對應關系，由此確立了通過控制基體表面溫度而獲得沉積粒子充分形成化學結合的 等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法。本發明的方法可以顯著提高等離子噴涂陶瓷涂層的耐 磨損或耐腐蝕性能，或其他基于物理化學性能的應用效能。
[0020] 經本發明方法制備的致密結構陶瓷材料涂層材料原料選擇范圍廣、沉積粒子結合 充分、孔隙率小，具有優越的耐沖蝕、高應力磨料磨損等服役性能。
【附圖說明】
[0021] 圖1為實施例1中在大氣氣氛下等離子噴涂沉積的YSZ涂層斷面結構；
[0022] 圖2為采用傳統的方式在用壓縮空氣冷卻過程中等離子噴涂的YSZ涂層斷面結構；
[0023] 圖3為實施例2在大氣氣氛下等離子噴涂沉積的LZ0涂層斷面組織;其中，（a)為低 倍下的斷面組織；（b)為高倍下拍攝的斷面組織；
[0024] 圖4為實施例3在大氣氣氛下等離子噴涂沉積的Al2〇3涂層斷面組織;其中，（a)為低 倍下的斷面組織；（b)為高倍下拍攝的斷面組織；
[0025] 圖5為采用傳統的方式在用壓縮空氣冷卻過程中等離子噴涂的Al2〇3涂層斷面結 構；
[0026] 圖6為實施例4在大氣氣氛下等離子噴涂沉積的Ti02涂層斷面組織。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而 不是限定。
[0028] 本發明經過大量的系統研究發現，熔融粒子碰撞基體時在整個界面充分形成結合 所需要的最低溫度與材料的熔點具有良好線性對應關系，由此確立了通過控制基體表面溫 度而獲得沉積粒子充分形成化學結合的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法。該制備方法是 在大氣氣氛下，基于等離子噴涂方法實現制備的，其關鍵是針對不同的陶瓷材料，是在對基 體表面溫度控制的條件下制備致密的陶瓷涂層。
[0029] 首先，表1給出了幾種典型陶瓷材料的熔點與所需最低表面溫度，以確定粒子間充 分結合的陶瓷涂層制備中的表面溫度控制條件。在制備本發明所述的粒子間充分結合的陶 瓷涂層時，基體或涂層表面溫度需要保持在由權利要求中所述的計算公式，或表1所述的最 低溫度之上。
[0030] 表1典型陶瓷材料熔點與制備致密陶瓷涂層所需的最低表面溫度
[0031]
[0032] 實施例1
[0033]采用GP-80等離子噴涂，將粉末顆粒尺寸20-50μπι的氧化釔（Y2〇3)穩定的氧化鋯 (Zr02)(YSZ)為噴涂材料，在將基體表面預熱到約650~700°C，在40kW電弧功率下制備YSZ 涂層。
[0034]如圖1所示，拋光斷面呈現出致密的結構，除了少量的垂直裂紋與橫向裂紋外，因 粒子間結合良好，難以分辨粒子界面。作為對比，圖2給出了傳統方法，采用同樣噴涂系統與 參數，僅在噴涂中通過壓縮空氣對基體表面適當進行冷卻的條件下沉積的涂層斷裂面結 構，粒子層間呈現出大量的未結合界面。
[0035] 實施例2
[0036]采用GTV等離子噴涂系統，將粉末顆粒尺寸10-45μπι的La2Zr2〇7(LZO)為噴涂材料， 采用火焰在噴涂中將基體表面溫度保持在500~550°C，在36kW電弧功率下制備LZ0涂層。
[0037] 如圖3所示，其中，（a)為低倍下的斷面組織；（b)為高倍下拍攝的斷面組織。從拋光 斷面可以看出，涂層粒子間因結合良好使其層狀結構變得難以分辨。
[0038] 實施例3
[0039]采用GP-80等離子噴涂系統，將粉末顆粒尺寸10-45μπι的Al2〇3為噴涂材料，采用火 焰在噴涂中將基體表面溫度保持在350~400°C，在35kW電弧功率下在不銹鋼基體表面制備 的Ah〇3涂層。
[0040]如圖4所示，其中，（a)為低倍下的斷面組織；（b)為高倍下拍攝的斷面組織。從拋光 斷面可以看出，涂層粒子間因結合良好使其層狀結構變得難以分辨。為了對比，圖5中給出 了傳統方法制備的涂層的斷面組織。對該涂層進行沖蝕試驗表明，其沖蝕磨損速率為傳統 涂層的20~30 %之間。
[0041 ] 實施例4
[0042]采用GP-80等離子噴涂系統，將粉末顆粒尺寸30-75μπι的Ti02為噴涂材料，采用高 能激光在噴涂中將Al2〇3基體表面溫度保持在150~250 °C，在35kW電弧功率下制備的涂層。
[0043] 如圖6所示，從拋光斷面可以看出，涂層組織致密，粒子間因結合良好使其層狀結 構變得難以分辨。
[0044] 實施例5
[0045]采用火焰將Ni/YSZ基體保持在約350°C下，采用大氣等離子噴涂LaxSn-xGa0 3涂層， 組織觀察表明涂層致密;測量其熱傳導表明，熱傳導率達到同樣材料的燒結體的85%以上。
【主權項】
1. 一種沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其特征在于，采用等 離子射流作為熱源，將陶瓷粉末顆粒加熱至熔融或半熔融狀態，并同時通過等離子射流的 加速效應形成高速粒子束流； 將基體表面溫度控制在一定溫度以上的條件下，在大氣氛圍下，將高速粒子束流噴射 在基體表面，使鋪展扁平化陶瓷粒子與已沉積的粒子充分化學結合而不斷累加形成等離子 噴涂致密陶瓷涂層。2. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，所述將基體表面溫度控制在一定溫度以上，該溫度T D是根據材料熔點1"，由公式 Td = 0 · 58xIm-890°C計算得出。3. 根據權利要求2所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，基體表面溫度通過基體整體預熱保證，或者通過輔助熱源、激光、火焰或等離子 在噴涂粒子束流前方加熱保證，或者通過等離子噴涂所用的等離子射流的原位加熱效應保 證。4. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，陶 瓷粉末顆粒選用熔點為l〇〇〇°C~3500°C的不同種類的氧化物陶瓷粉末材料;陶瓷粉末顆粒 的尺寸分布為10~lOOwn。5. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，基體表面為涂層沉積開始時的基體表面，或者為已沉積的陶瓷涂層表面。6. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，基體材料為金屬合金材料或者無機陶瓷材料。7. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，基體的結構幾何形狀為平面、圓柱面、圓錐面或是變曲率的其它曲面表面。8. 根據權利要求1所述的沉積粒子結合充分的等離子噴涂致密陶瓷涂層制備方法，其 特征在于，鋪展扁平化陶瓷粒子與已沉積的粒子充分化學結合的結合率達到60%以上。9. 采用權利要求1~8中任意一項所述的方法制得的等離子噴涂致密陶瓷涂層。
【文檔編號】C23C4/11GK106065457SQ201610617173
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年7月29日
【發明人】李長久, 姚樹偉, 楊冠軍, 李成新
【申請人】西安交通大學