[发明专利]纳米氧化铝复合陶瓷涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及氧化铝陶瓷涂层及其制备技术，尤其涉及一种具有纳米晶粒结构的氧化铝复合陶瓷涂层和制备方法。

背景技术

热喷涂氧化铝涂层具有优良的机械和电学性能，用作抗磨损、耐腐蚀和高温隔热涂层，在机械、化工、冶金等领域得到了广泛应用。利用纳米结构来改善涂层性能已成为氧化铝陶瓷涂层研究的方向，用热喷涂技术制备的纳米结构氧化铝涂层与传统涂层相比，在强度、韧性、抗腐蚀、耐磨、抗热疲劳等方面均有显著提高。自上世纪90 年代以来，热喷涂纳米氧化铝涂层已经取得了快速发展。但是，纳米氧化铝涂层在涂层结构以及性能方面仍存在着一些问题：（1）纳米颗粒的烧结长大问题。纳米粒子比表面积大,表面活性高,致使熔点下降,喷涂过程中容易烧结长大而改变性状,最终影响到涂层中纳米晶结构的保持，所以热喷涂制备的纳米氧化铝涂层通常只是具有部分的纳米结构；（2）涂层质量问题。在等离子喷涂中，由于火炬存在很宽的温度梯度分布，原料颗粒在火炬中的熔化状态、温度分布、冷却速度等不可能完全相同， 很难保证所有的原料都能处在优化的工艺条件下，因而很难得到结构均匀、致密的涂层。同时，作为喷涂原料的团聚颗粒往往致密度较差，内部的气孔会在涂层中残留下来，导致涂层内部微观结构的不均匀，以及致密度差，最终影响涂层的性能。通常，等离子喷涂的陶瓷涂层的气孔率都在3-5%，甚至更高。

发明内容

本发明的目的是，针对现有技术中的不足，提供一种具有纳米晶粒结构的氧化铝复合陶瓷涂层及其制备方法，从而进一步提高涂层的韧性、强度和耐磨损等机械性能。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明的纳米氧化铝复合陶瓷涂层，由热喷涂方法制备得到，其喷涂物料组分中包括有氧化铝粉末，其特征在于，所述喷涂物料是由氧化铝、氧化锆和稀土氧化物混合融化经急速冷却形成的玻璃颗粒，其中，氧化铝20-75wt%，氧化锆10-40wt%，稀土氧化物10-60wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合。

本发明的氧化铝复合陶瓷涂层的制备方法，包括用热喷涂法将物料喷涂到基体上，其特征在于，制备过程是：

（1）配制混合细粉料：称取组分氧化铝、稀土氧化物，然后将各组分混合并加入酒精进行湿法球磨10-24小时，再烘干过筛，获得粒度为20-100μm的混合粉末；所述氧化铝的重量占总重量的20-75wt%，氧化锆的重量占总重量的10-40wt%，稀土氧化物的重量占总重量的10-60 wt%；所述稀土氧化物是氧化钇、氧化镧、氧化钆、氧化铈、氧化镝、氧化钕、氧化铕中的任意一种或两种以上的组合；

（2）制备玻璃颗粒：将混合细粉料通过等离子喷枪或氧乙炔喷枪熔融后直接喷射到常温净水中，例如蒸馏水或去离子水等；然后再烘干过筛，得到熔化充分、结构均匀致密的粒度为20-100μm的氧化铝基玻璃颗粒；

（3）热喷涂陶瓷涂层：使用大气等离子喷涂工艺或超音速火焰喷涂工艺将氧化铝基玻璃颗粒喷涂到基体上，形成具有纳米结构的陶瓷涂层，该陶瓷涂层厚度在50μm-2mm。

本发明先制备出熔化充分、结构均匀致密的氧化铝基玻璃颗粒，然后将其作为喷涂原料通过热喷涂方法形成涂层，玻璃颗粒在重融冷却过程中产生结晶析出纳米晶粒。由于形成的晶粒是从玻璃基质中直接析出的，晶粒细小，因此整个涂层完全是分布均匀的纳米结构，而且采用玻璃前驱体纳米化得到的纳米晶粒之间的晶界干净，能显著降低材料本征内应力，纳米晶粒还有阻止材料微裂纹扩展的作用，这种独特的结构使得涂层具有优良的机械性能。相比现有的热喷涂氧化铝涂层，它还消除了由于团聚料的结构疏松所带来的气孔，同时，由于玻璃质熔点相对较低，其在熔融时有粘滞流动作用，这十分有利于形成更加致密的涂层。经检测，本发明涂层气孔率达到2%以下。