[發明專利]一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法

無效

• 申請號: 201210558837.9
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103074624A
• 公開（公告）日: 2013-05-01
• 發明（設計）人: 熊玉明;李松林;王磊;熊翔
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04;C04B35/624;C04B35/628
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所 43114
• 代理人: 顏勇

技術領域

本發明公開了一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法；屬于冷噴涂陶瓷涂層制備技術領域。

背景技術

傳統熱噴涂過程主要依賴材料融化及快速固化，不可避免發生材料氧化、分解或組織變化。冷噴涂技術是一種新型的涂層沉積技術，冷噴涂過程主要依賴常溫高動能粉末粒子（5-50μm）的高速（300-2000m/s）碰撞，在碰撞界面進行的動能向熱能轉化過程中以達到使粉末顆粒與基體以及粉末顆粒間形成冶金結合而獲得涂層的目的。因為冷噴涂涂層的沉積主要依賴塑性粒子的高應變（10^6-9/s）速率塑性變形，理論研究表明涂層沉積機制與碰撞界面的絕熱剪切不穩定（ASI）變形有關，通過ASI區材料的粘流性特征實現碰撞界面材料的冶金結合。

冷噴涂過程完全在遠低于材料熔點條件下進行，涂層中幾乎不存在熱應力，且界面結合主要以冶金鍵結合特征為主，涂層粘附強度高于70MPa，明顯高于等離子熱噴涂涂層的結合強度（約20MPa），且涂層致密度高，孔隙度低于1%。因為熱影響小，冷噴涂涂層中通常能保持原始粉末的化學成分及相結構，有利于對特定材料的結構和性能的設計。然而，因為冷噴涂過程主要依賴材料的塑性變形，以往進行冷噴涂的材料通常是純金屬，即使在噴涂金屬陶瓷時，陶瓷顆粒也僅僅是依靠機械力鑲嵌在塑性金屬涂層基體中。

我們知道，陶瓷材料在常溫條件下一般不具備塑性變形能力，所以目前還很難采用冷噴涂方法獲得純陶瓷涂層。一些陶瓷涂層的制備往往需要采用金屬材料填料或粘結劑，陶瓷顆粒往往依靠機械力鑲嵌在金屬基體內，在涂層應用過程中陶瓷顆粒容易剝離造成摩擦副及涂層面的加速磨損。同時，陶瓷顆粒與金屬基體間的機械結合是涂層裂紋源頭，能造成涂層的快速破裂破壞，有時會導致噴涂后基體力學性能的降低。

目前國內外沉積冷噴涂陶瓷涂層的方法無非是兩種：一是通過加入金屬填料（如WC中加入Co、Al₂O₃中加入Al）最終制備金屬陶瓷涂層或者復合涂層，這種方法制備將改變陶瓷材料的組成；另一種是采用真空冷噴涂或者動力凝膠的方法制備陶瓷涂層，涂層厚度很難高于20μm，且因為是在真空等苛刻條件下進行，很難對涂層結構及形貌進行控制和調整，不適合進行高效率的大規模生產。目前使用傳統冷噴涂技術，在開放條件下制備純陶瓷涂層的技術國內外尚未見報道，但該領域的研究卻吸引了學術及工業界的廣泛興趣，從近年來發展起來的旨在沉積陶瓷涂層的動力凝膠、真空冷噴涂及納米沉積等技術研究方法就足可窺見一斑。

發明內容

本發明的目的旨在提供一種操作性強，適用面廣，沉積的純陶瓷涂層致密度高、與基體結合強度高的冷噴涂制備氧化鋯陶瓷涂層的方法。

本發明一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，包括下述步驟：

第一步，氧化鋯/氧化鈰陶瓷粉末的納米化、非晶化前處理

將平均粒徑均為1-10μm的ZrO₂、CeO₂粉末按摩爾比3-10：1混料，得到混合粉末后干式球磨至混合粉末的晶粒度為10-15nm、非晶化轉變的混合粉末占ZrO₂與CeO₂粉末總摩爾質量的5-20%，得到冷噴涂用ZrO₂+CeO₂陶瓷粉末；

第二步：冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層

將第一步所得ZrO₂+CeO₂陶瓷粉末經預熱后冷噴涂在基體材料表面；或

將第一步所得ZrO₂+CeO₂陶瓷粉末經噴霧造粒后預熱，預熱后冷噴涂在基體材料表面；

所述預熱溫度為300-400℃；

冷噴涂工藝條件為：

工作氣體為氮氣或氦氣，工作氣體溫度為350-550℃，工作氣體壓力為10-29個大氣壓；噴槍出口處距沉積基體材料表面距離為30-50mm。

本發明一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，所述ZrO₂粉末的初始晶粒度為80-100納米。

本發明一種冷噴涂制備氧化鋯/氧化鈰陶瓷涂層的方法，第一步中，所述混料采用ZrO₂粉末與CeO₂粉末的直接混合或采用溶膠凝膠法在ZrO₂粉末表面包覆混合CeO₂。