沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法，涉及材料加工、机械制造等领域。该方法以陶瓷粉末为原料，将粉末颗粒加热到熔化状态，并将基体表面加热至与材料对应的一定温度条件之上，进行致密陶瓷涂层的制备。该方法制备的致密结构陶瓷材料涂层的材料原料选择范围广、沉积粒子结合充分、孔隙率小，具有与块体材料相当的优越耐冲蚀、高应力磨料磨损等服役性能。本发明提供了一种等离子喷涂沉积粒子间结合充分的致密陶瓷制备新方法。
【专利说明】
沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料加工及机械制造领域，涉及一种基于等离子喷涂法制备致密陶瓷 涂层的方法，具体涉及一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 等离子喷涂是制备高性能陶瓷涂层、提高材料服役性能或服役材料表面特殊功能 的重要方法。在制备涂层时，将粉末颗粒送进作为热源的等离子射流中，被加热至熔融或接 近熔融的状态，依次碰撞在基体表面堆积而形成涂层。因此，涂层由源于熔融或半熔态的粒 子变形形成的圆盘状粒子堆积而成，呈现层状结构;而这种具有层状结构的喷涂涂层内的 粒子层之间的界面结合状态显著影响着或甚至控制着涂层的各种性能。有研究表明，无论 是金属涂层，还是热喷涂陶瓷涂层，涂层的粒子层间结合率非常有限，最大仅为32% (见文 献l:Li and Ohmori，J.Thermal Spray Technol.，2002，Vol.ll，pp.365_374)，而涂层的各 种力学性能（如弹性模量、断裂韧性、冲蚀磨损率）、电导率、热导率等都受到涂层内粒子层 之间的界面的有限结合的控制，从而表现涂层的上述性能均为相应块体性能的10 %~30 % (如文献2:Kuroda and Clyne，Thin Solid Films，1991，Vol.200，pp.49-66;前述文献 1)〇 这不仅使得涂层的耐磨损性能，如耐冲蚀性能（如文献3 : Li等，Wear，2006，Vo 1.260， pp. 1166-1172)、空蚀、微动、疲劳、高应力磨料磨损性能显著低于同类块体，从而使得陶瓷 材料优越的耐磨损性能难以发挥；另一方面，未结合界面与其它类型的孔隙相互连通构成 从涂层表面贯通至涂层/基体界面的贯通孔隙，使得涂层不能完全阻挡隔离腐蚀介质与基 体合金的接触，从而使耐腐蚀性能优越的陶瓷材料制备的喷涂态涂层难以直接用作耐腐蚀 涂层。
[0003] 大量的研究表明，通过优化热喷涂参数，如上所述典型文献中所给出，并不能显著 提高沉积粒子层间的结合状态，这是由于粒子沉积时的结合界面取决于熔融粒子碰撞前的 温度与基体在碰撞时的表面温度。然而，由于喷涂粒子的加热是在加速过程中进行，而任何 面向提高粒子加热效果的喷涂参数的改变，都伴随着增加粒子速度的效应，使得加热时间 短缩，从而无法大幅度提高粒子温度。另一方面，按惯例作为常规且已广泛应用的热喷涂实 践中，为降低涂层材料与基体的线膨胀系数差异引起的所谓热应力，通常在喷涂过程中需 要采用压缩空气冷却等方式降低因高温涂层材料沉积而引起的温升，由此使得熔融粒子碰 撞前的温度保持在较低的水平，以上两方面因素的作用，使得等离子喷涂的陶瓷涂层，其中 的逐层沉积的粒子层间的结合有限，最大约为32%。
[0004] 考虑到基体温度的提升可能增强粒子与基体的结合，尽管也有研究表明提高熔融 粒子碰撞前的基体温度，可增强陶瓷粒子的结合，然而，依据迄今的研究并不知道，针对特 定陶瓷粒子材料，究竟将基体表面温度加热至什么温度才能保证足够的粒子间结合。
[0005] 综上所述，目前尚未有充分系统的研究成果，即使对基体预热也主要是以去除表 面以吸附水分为主的吸附物，没有针对特定的材料给出可以确保熔融粒子沉积时充分连接 在一起的预热温度。因此，没有充分确保等离子喷涂沉积陶瓷粒子间结合的基体表面温度 值的确定方法。
【发明内容】
[0006] 为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种沉积粒子结合充 分的等离子喷涂致密陶瓷涂层及其制备方法，该方法可以显著提高等离子喷涂陶瓷涂层的 耐磨损或耐腐蚀性能，或其他基于物理化学性能的应用效能;经该方法制得的致密结构陶 瓷材料涂层沉积粒子结合充分，孔隙率小，具有与块体材料相对应的优越耐冲蚀，高应力磨 料磨损等服役性能。
[0007] 本发明是通过以下技术方案来实现：
[0008] -种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，采用等离子射流作 为热源，将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔融状态，并同时通过等离子射流的加速效应形 成高速粒子束流；
[0009] 将基体表面温度控制在一定温度以上的条件下，在大气氛围下，高速粒子束流喷 射在基体表面，使铺展扁平化的陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合而不断累加形成等 离子喷涂致密陶瓷涂层。
[0010] 所述将基体表面温度控制在一定温度TD以上，该温度TD是根据材料熔点Tm，由公式 Td = 0 · 58xIm-890°C计算得出。
[0011] 基体表面温度通过基体整体预热保证，或者通过辅助热源、激光、火焰或等离子射 流在喷涂粒子束流前方加热保证，或者通过等离子喷涂所用的等离子射流的原位加热效应 保证。
[0012] 陶瓷粉末颗粒选用熔点从约1000°C到3000°C以上的不同种类的氧化物陶瓷粉末 材料;陶瓷粉末颗粒的尺寸分布为10~?ΟΟμπι。
[0013] 基体表面为涂层沉积开始时的基体表面，或者为涂层沉积中的前面已沉积的陶瓷 涂层表面。
[0014] 基体材料为金属合金材料或者无机陶瓷材料。
[0015]其特征在于，基体的结构几何形状为平面、圆柱面、圆锥面或是变曲率的其它曲面 表面。
[0016] 铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合的结合率达到60%以上。
[0017] 本发明还公开了采用上述的方法制得的等离子喷涂致密陶瓷涂层，所述的致密陶 瓷涂层，可用于耐磨损、耐冲蚀、耐腐蚀等保护涂层而显著提升保护效果，或可以用作离子 导电、或电子导电、或导热等功能涂层显著提升传导性能。
[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
[0019] 本发明公开的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，该方法以 陶瓷粉末为原料，将粉末颗粒加热到熔化状态，并将基体表面加热至与材料对应的一定温 度条件之上，进行致密陶瓷涂层的制备，是在大气气氛下，基于等离子喷涂方法实现制备 的，其关键是针对不同的陶瓷材料，是在对基体表面温度控制的条件下制备致密的陶瓷涂 层。熔融粒子碰撞基体时在整个界面充分形成结合所需要的最低温度与材料的熔点具有良 好线性对应关系，由此确立了通过控制基体表面温度而获得沉积粒子充分形成化学结合的 等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法。本发明的方法可以显著提高等离子喷涂陶瓷涂层的耐 磨损或耐腐蚀性能，或其他基于物理化学性能的应用效能。
[0020] 经本发明方法制备的致密结构陶瓷材料涂层材料原料选择范围广、沉积粒子结合 充分、孔隙率小，具有优越的耐冲蚀、高应力磨料磨损等服役性能。
【附图说明】
[0021] 图1为实施例1中在大气气氛下等离子喷涂沉积的YSZ涂层断面结构；
[0022] 图2为采用传统的方式在用压缩空气冷却过程中等离子喷涂的YSZ涂层断面结构；
[0023] 图3为实施例2在大气气氛下等离子喷涂沉积的LZ0涂层断面组织;其中，（a)为低 倍下的断面组织；（b)为高倍下拍摄的断面组织；
[0024] 图4为实施例3在大气气氛下等离子喷涂沉积的Al2〇3涂层断面组织;其中，（a)为低 倍下的断面组织；（b)为高倍下拍摄的断面组织；
[0025] 图5为采用传统的方式在用压缩空气冷却过程中等离子喷涂的Al2〇3涂层断面结 构；
[0026] 图6为实施例4在大气气氛下等离子喷涂沉积的Ti02涂层断面组织。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而 不是限定。
[0028] 本发明经过大量的系统研究发现，熔融粒子碰撞基体时在整个界面充分形成结合 所需要的最低温度与材料的熔点具有良好线性对应关系，由此确立了通过控制基体表面温 度而获得沉积粒子充分形成化学结合的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法。该制备方法是 在大气气氛下，基于等离子喷涂方法实现制备的，其关键是针对不同的陶瓷材料，是在对基 体表面温度控制的条件下制备致密的陶瓷涂层。
[0029] 首先，表1给出了几种典型陶瓷材料的熔点与所需最低表面温度，以确定粒子间充 分结合的陶瓷涂层制备中的表面温度控制条件。在制备本发明所述的粒子间充分结合的陶 瓷涂层时，基体或涂层表面温度需要保持在由权利要求中所述的计算公式，或表1所述的最 低温度之上。
[0030] 表1典型陶瓷材料熔点与制备致密陶瓷涂层所需的最低表面温度
[0031]
[0032] 实施例1
[0033]采用GP-80等离子喷涂，将粉末颗粒尺寸20-50μπι的氧化钇（Y2〇3)稳定的氧化锆 (Zr02)(YSZ)为喷涂材料，在将基体表面预热到约650~700°C，在40kW电弧功率下制备YSZ 涂层。
[0034]如图1所示，抛光断面呈现出致密的结构，除了少量的垂直裂纹与横向裂纹外，因 粒子间结合良好，难以分辨粒子界面。作为对比，图2给出了传统方法，采用同样喷涂系统与 参数，仅在喷涂中通过压缩空气对基体表面适当进行冷却的条件下沉积的涂层断裂面结 构，粒子层间呈现出大量的未结合界面。
[0035] 实施例2
[0036]采用GTV等离子喷涂系统，将粉末颗粒尺寸10-45μπι的La2Zr2〇7(LZO)为喷涂材料， 采用火焰在喷涂中将基体表面温度保持在500~550°C，在36kW电弧功率下制备LZ0涂层。
[0037] 如图3所示，其中，（a)为低倍下的断面组织；（b)为高倍下拍摄的断面组织。从抛光 断面可以看出，涂层粒子间因结合良好使其层状结构变得难以分辨。
[0038] 实施例3
[0039]采用GP-80等离子喷涂系统，将粉末颗粒尺寸10-45μπι的Al2〇3为喷涂材料，采用火 焰在喷涂中将基体表面温度保持在350~400°C，在35kW电弧功率下在不锈钢基体表面制备 的Ah〇3涂层。
[0040]如图4所示，其中，（a)为低倍下的断面组织；（b)为高倍下拍摄的断面组织。从抛光 断面可以看出，涂层粒子间因结合良好使其层状结构变得难以分辨。为了对比，图5中给出 了传统方法制备的涂层的断面组织。对该涂层进行冲蚀试验表明，其冲蚀磨损速率为传统 涂层的20~30 %之间。
[0041 ] 实施例4
[0042]采用GP-80等离子喷涂系统，将粉末颗粒尺寸30-75μπι的Ti02为喷涂材料，采用高 能激光在喷涂中将Al2〇3基体表面温度保持在150~250 °C，在35kW电弧功率下制备的涂层。
[0043] 如图6所示，从抛光断面可以看出，涂层组织致密，粒子间因结合良好使其层状结 构变得难以分辨。
[0044] 实施例5
[0045]采用火焰将Ni/YSZ基体保持在约350°C下，采用大气等离子喷涂LaxSn-xGa0 3涂层， 组织观察表明涂层致密;测量其热传导表明，热传导率达到同样材料的烧结体的85%以上。
【主权项】
1. 一种沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其特征在于，采用等 离子射流作为热源，将陶瓷粉末颗粒加热至熔融或半熔融状态，并同时通过等离子射流的 加速效应形成高速粒子束流； 将基体表面温度控制在一定温度以上的条件下，在大气氛围下，将高速粒子束流喷射 在基体表面，使铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合而不断累加形成等离子 喷涂致密陶瓷涂层。2. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，所述将基体表面温度控制在一定温度以上，该温度T D是根据材料熔点1"，由公式 Td = 0 · 58xIm-890°C计算得出。3. 根据权利要求2所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，基体表面温度通过基体整体预热保证，或者通过辅助热源、激光、火焰或等离子 在喷涂粒子束流前方加热保证，或者通过等离子喷涂所用的等离子射流的原位加热效应保 证。4. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，陶 瓷粉末颗粒选用熔点为l〇〇〇°C~3500°C的不同种类的氧化物陶瓷粉末材料;陶瓷粉末颗粒 的尺寸分布为10~lOOwn。5. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，基体表面为涂层沉积开始时的基体表面，或者为已沉积的陶瓷涂层表面。6. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，基体材料为金属合金材料或者无机陶瓷材料。7. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，基体的结构几何形状为平面、圆柱面、圆锥面或是变曲率的其它曲面表面。8. 根据权利要求1所述的沉积粒子结合充分的等离子喷涂致密陶瓷涂层制备方法，其 特征在于，铺展扁平化陶瓷粒子与已沉积的粒子充分化学结合的结合率达到60%以上。9. 采用权利要求1~8中任意一项所述的方法制得的等离子喷涂致密陶瓷涂层。
【文档编号】C23C4/11GK106065457SQ201610617173
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】李长久, 姚树伟, 杨冠军, 李成新
【申请人】西安交通大学