[发明专利]一种纳米氧化锆喷涂粉末及其制备方法

说明书

本发明提供了一种由质量分数为(7～8)wt％氧化钇部分稳定纳米氧化锆(YSZ)聚集体组成的非中空多孔球形结构粉末。粉末颗粒的孔隙率在(40～70)％之间，表面为多孔粗糙结构。粉末采用常规喷雾造粒工艺制备：首先采用砂磨将纳米YSZ团聚体分散，然后在分散后的浆料中添加絮凝剂，使纳米颗粒聚集形成疏松絮状的聚集体，从而抑制其在喷雾造粒过程中向表面迁移，避免形成中空结构，并最终制得具有高孔隙率的非中空多孔球形结构粉末。采用本发明的粉末，可以制备出高孔隙率、高内聚强度、耐烧结的YSZ涂层。

技术领域

本发明属于纳米陶瓷材料领域，具体涉及一种用于制备高孔隙率、高内聚强度、耐烧结涂层的纳米氧化锆喷涂粉末及其制备方法。

背景技术

等离子喷涂(7～8)wt％氧化钇部分稳定氧化锆(以下简称YSZ)涂层由于具有极低的热导率(～1.5w/m·k)、高的熔点(～2700℃)、高的蠕变温度(～2400℃)、优异的力学性能以及与高温合金相近的热膨胀系数，被广泛用于航空发动机和燃气轮机叶片、火箭发动机喷管等高温合金部件的隔热防护。使用YSZ涂层不仅可以降低部件的工作温度，延长部件的使用寿命，同时也可以在保证发动机寿命的前提下，通过提高发动机的工作温度,来提升发动机的推重比。

YSZ涂层的性能主要包括隔热能力和使用寿命。涂层的隔热能力主要由其热导率决定，而涂层的使用寿命主要由其抗热震性能和抗烧结性能决定。研究表明，涂层的孔隙率和内聚强度越高，涂层的热导率就越低，抗热震性能和抗烧结性能就越好，因此，高孔隙率、高内聚强度涂层的制备，一直以来都是该领域的研究重点。

在等离子喷涂制备YSZ涂层工艺中，喷涂粉末首先被等离子焰流熔化形成熔滴，熔滴与基材撞击后，铺展、凝固形成扁平粒子，扁平粒子堆叠形成涂层。涂层中的孔隙主要来源于被包覆在熔滴中的气体，以及扁平粒子堆叠时的搭接缺陷。YSZ涂层孔隙率的提升一般可通过以下两种技术途径实现：一是通过增大喷涂粉末的粒径，来增大扁平粒子的铺展面积，增加搭接缺陷，进而提升涂层的孔隙率。例如，现阶段常用的喷涂粉末，是由粒径分布(10～106)um之间的颗粒组成，采用该种粉末制备的涂层，其孔隙率一般在12％以内。若将其中粒径小于45um的细粉筛出，只采用粒径大于45um以上的粉末，可以制备出孔隙高于12％的涂层。但是，该种方法的缺点是，由于粉末中缺乏易熔化的细粉，导致涂层的内聚强度降低，抗热震性能变差，同时粉末的利用率降低，生产成本增加。

另一种方法是通过适当增大粉末颗粒的孔隙率来提升涂层的孔隙率。早期的涂层制备，采用的是致密颗粒粉末，涂层的孔隙率一般在5％以内；目前用于制备高孔隙率涂层的喷涂粉末，大多采用微米或亚微米YSZ颗粒经喷雾造粒制成，粉末颗粒的孔隙率最高可接近40％，而采用该类粉末，可制备出孔隙率接近12％的涂层。但是，受制于所采用的微米或亚微米YSZ颗粒的尺寸、孔隙率和造粒后粉末的粒径，进一步提升粉末颗粒的孔隙率，往往导致粉末颗粒的骨架强度降低，在高温等离子焰流中易破碎，影响涂层的沉积效率。

纳米粉末具有大的比表面积和低的松装密度，理论上可以制备出颗粒孔隙率更高的喷涂粉末。但是，大量的研究表明，纳米粒子由于质量小，喷雾造粒时，在水分蒸发所形成的毛细管力的作用下，纳米粒子向颗粒表面迁移，形成的是薄壁中空结构粉末，无法形成多孔结构。采用该种粉末制备涂层时，由于粉末中的气体集中在颗粒中心，颗粒熔化后形成类似气球的薄壁熔滴。根据相关研究，在薄壁熔滴与基体碰撞、凝固形成扁平粒子的过程中，其中的大部分气体逃逸，最终形成的是孔隙率小于12％的具有高扁平粒子界面的涂层。该类涂层虽然也具有很低的热导率，但是扁平粒子界面在高温下易被烧结，涂层在高温下短期使用后，热导率快速上升而使隔热能力下降。

虽然也有研究表明，以纳米YSZ为原料，采用喷雾冷冻法(Spray freeze drying)可以制备出孔隙率在40％以上的球形粉末，但是，由于喷雾冷冻法需要在低温、真空条件下以升华的方式缓慢除去粉末中的冰，设备投入大、效率低导致生产成本极高，目前还没有将其用于制备高孔隙率喷涂粉末的相关报道。

发明内容