CN102154607A - 一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料及其制备方法 - Google Patents

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一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料，所述喂料由镍合金/氧化铝纳米颗粒通过机械或冶金的结合方式形成的球形颗粒，所述镍合金/氧化铝纳米颗粒以Al2O3粉末作为颗粒核心，颗粒核心的外表沉积有镍合金包覆层，镍合金/氧化铝纳米颗粒的平均粒径为10～100微米，镍元素的质量分数为20%～50%。本发明综合运用化学镀、喷雾造粒、低温烧结等方法，制备出的粉体具有分散均匀、表面金属含量可控、工艺简单、易于操作等优点，解决了纳米粉末质量轻，热喷涂过程中极易发生熔化、气化及涂层中晶粒长大的技术难题，符合热喷涂工艺的要求，制备出满足等离子喷涂工艺要求的纳米结构喂料，广泛用于军工、航空航天、汽车、电子等需要热喷涂高质量涂层的领域。

Description

一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种热喷涂的喂料及其制备方法。
背景技术
制备满足热喷涂工艺要求的喂料是制备高质量涂层的先决条件。纳米材料具有许多奇异的特性，用于热喷涂可显著提高涂层的性能。然而，纳米粉末质量轻，无法满足热喷涂工艺的要求，此外，纳米材料表面活性高、熔点低，热喷涂过程中极易发生熔化、气化及涂层中晶粒长大现象，无法制备出高质量的涂层，该技术问题急需解决。
发明内容
本发明提供一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料及其制备方法，要解决纳米粉末质量轻，热喷涂过程中极易发生熔化、气化及涂层中晶粒长大现象，无法满足热喷涂工艺要求的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料，其特征在于：所述喂料由镍合金/氧化铝纳米颗粒通过机械或冶金的结合方式形成的球形颗粒，所述镍合金/氧化铝纳米颗粒以Al2O3粉末作为颗粒核心，颗粒核心的外表沉积有镍合金包覆层，镍合金/氧化铝纳米颗粒的平均粒径为10～100微米，镍元素的质量分数为20%～50%。
一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：包括化学包覆、喷雾造粒以及低温烧结三个步骤：
步骤1、化学包覆，采用平均粒径为10～100nm的Al2O3粉末作为颗粒核心材料，采用化学镀方法，化学镀的镀液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的纳米粉体的颗粒核心表面上，包覆后的镍合金/氧化铝纳米颗粒中镍元素的质量份数为20%～50%，化学包覆的反应式为：
，式中，C为络合剂；m为络合剂配位体数目；R和O分别为还原剂的还原态和氧化态，上式分解为：
阴极反应：
Figure 56347DEST_PATH_IMAGE002
，
阳极反应：
Figure 2011101367461100002DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤2、喷雾造粒，将镍合金/氧化铝纳米颗粒、粘结剂、水、分散剂均匀混合，制备成具有粘度的浆料，采用喷雾干燥设备对浆料进行造粒处理，得到团聚状的镍合金/氧化铝纳米颗粒粉体；
步骤3、低温烧结，在惰性气体保护下对喷雾造粒后的粉体进行低温烧结处理，形成团聚状、疏松多孔球形镍合金/氧化铝纳米结构颗粒，烧结工艺参数见下表：
装载方式 烧结温度 / ℃ 惰性保护气体 烧结保温时间 / min 取料温度 / ℃
松装 600～800 Ar2 30～40 300～400
所述化学镀的镀液包括有镍盐、还原剂和络合剂，所述镍盐为硫酸镍、氯化镍醋酸镍、氨基磺酸镍及次磷酸镍的一种，所述还原剂为次磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷中的一种，所述络合剂为乳酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氨基酸中的一种或两种以上的混合物。
所述粘结剂是聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，羧甲基纤维素(CMC)中的一种或两种以上的混合物。
所述喷雾干燥设备是高速离心喷雾干燥机，喷雾造粒过程离心盘转速设为10000～20000转/分钟，干燥气体的进口温度设定为200～400℃，出口温度为100～300℃。
本发明的有益效果如下：本发明综合运用化学镀、喷雾造粒、低温烧结等方法步骤，制备出的粉体具有分散均匀、表面金属含量可控、工艺简单、易于操作等优点。本发明的核心材料采用Al2O3 陶瓷材料，它具有很高的熔点、硬度、弹性模量及良好的耐热性、耐蚀性和耐磨性性能。本发明采用化学镀法将Al2O3陶瓷与镍合金复合在一起，制备出了兼有镍金属材料良好的耐高温特性、良好延展性和导热性以及Al2O3陶瓷材料良好耐热、耐磨性的镍基合金-氧化铝陶瓷复合材料。本发明的纳米粉末经过喷雾造粒处理，将纳米颗粒之间隔离开来，减少晶粒长大，并将纳米材料制备成具有一定粒度和内聚强度的微米级颗粒，满足热喷涂工艺要求，解决了纳米粉末质量轻，热喷涂过程中极易发生熔化、气化及涂层中晶粒长大的技术难题，可以符合热喷涂工艺的要求，制备出满足等离子喷涂工艺要求的纳米结构喂料，广泛用于军工、航空航天、汽车、电子等需要热喷涂高质量涂层的领域。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2纳米结构Ni/Al2O3喂料制备过程的示意图。
图3是化学包覆后Ni/Al2O3粒子的形貌电镜图。
图4是纳米结构Ni/Al2O3热喷涂喂料的形貌电镜图。
图5是纳米结构Ni/Al2O3热喷涂喂料制备的等离子喷涂涂层显微结构图。
附图标记：1－团聚状、疏松多孔球形镍合金/氧化铝纳米结构颗粒、2－颗粒核心、3－镍合金包覆层、4－孔隙。
具体实施方式
实施例参见图1、图2所示，一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料，其特征在于：所述喂料由镍合金/氧化铝纳米颗粒通过机械或冶金的结合方式形成的球形颗粒，所述镍合金/氧化铝纳米颗粒以Al2O3粉末作为颗粒核心2，颗粒核心2的外表沉积有镍合金包覆层3，镍合金/氧化铝纳米颗粒的平均粒径为10～100微米，镍元素的质量分数为20%～50%。
一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：包括化学包覆、喷雾造粒以及低温烧结三个步骤：
步骤1、化学包覆，采用平均粒径为10～100nm的Al2O3粉末作为颗粒核心2材料，采用化学镀方法，化学镀的镀液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的纳米粉体的颗粒核心2表面上，包覆后的镍合金/氧化铝纳米颗粒中镍元素的质量份数为20%～50%，化学包覆的反应式为：
Figure 662909DEST_PATH_IMAGE001
，式中，C为络合剂；m为络合剂配位体数目；R和O分别为还原剂的还原态和氧化态，上式分解为：
阴极反应：，
阳极反应：；
步骤2、喷雾造粒，将镍合金/氧化铝纳米颗粒、粘结剂、水、分散剂均匀混合，制备成具有粘度的浆料，采用喷雾干燥设备对浆料进行造粒处理，得到团聚状的镍合金/氧化铝纳米颗粒粉体；
步骤3、低温烧结，在惰性气体保护下对喷雾造粒后的粉体进行低温烧结处理，形成团聚状、疏松多孔球形镍合金/氧化铝纳米结构颗粒1，烧结工艺参数见下表：
装载方式 烧结温度 / ℃ 惰性保护气体 烧结保温时间 / min 取料温度 / ℃
松装 600～800 Ar2 30～40 300～400
所述化学镀的镀液包括有镍盐、还原剂和络合剂，所述镍盐为硫酸镍、氯化镍醋酸镍、氨基磺酸镍及次磷酸镍的一种，所述还原剂为次磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷中的一种，所述络合剂为乳酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氨基酸中的一种或两种以上的混合物。
所述粘结剂是聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，羧甲基纤维素(CMC)中的一种或两种以上的混合物。
所述喷雾干燥设备是高速离心喷雾干燥机，喷雾造粒过程离心盘转速设为10000～20000转/分钟，干燥气体的进口温度设定为200～400℃，出口温度为100～300℃。
参见图3，是包覆金属镍后的纳米粉形貌。可见，包覆后的粉末呈现细小的颗粒状，粒度大约为100-200nm左右，存在一定的团聚现象。部分粒子连接成为弯折的长条形状，表明包覆前的纳米粉末存在一定程度的团聚，经过Ni包覆后，则连接在一起。
参见图4，是经过喷雾造粒和气体保护烧结等工艺制备的纳米结构Ni合金/ Al2O3热喷涂喂料形貌。
可见，经过化学包覆、喷雾造粒以及烧结工艺后，制备的喂料球形度好，粒径多集中在20～50μm之间，可满足等离子喷涂工艺对喂料粒度的要求。喂料表面呈现出非均匀的多孔结构，部分孔洞相对较大，周边则是相对致密的结构。对表面进一步放大观察发现，相邻的微小颗粒之间形成了紧密的融合连接，显示喂料在惰性气体保护下的加热过程中发生了局部熔化或液相烧结，这些都十分有助于提高喷雾造粒后松散粉体的自身强度，能有效防止喷涂过程中被高速气流冲击导致破碎。
参见图5，是采用纳米结构Ni合金/Al2O3喂料制备的等离子喷涂涂层的显微结构照片。涂层中包含粒度为100nm左右的细小晶粒，说明采用纳米结构Ni/Al2O3喂料制备的等离子喷涂涂层中包含纳米结构。

Claims (5)

1.一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料，其特征在于：所述喂料由镍合金/氧化铝纳米颗粒通过机械或冶金的结合方式形成的球形颗粒，所述镍合金/氧化铝纳米颗粒以Al2O3粉末作为颗粒核心（2），颗粒核心（2）的外表沉积有镍合金包覆层（3），镍合金/氧化铝纳米颗粒的平均粒径为10～100微米，镍元素的质量分数为20%～50%。
2.一种纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：包括化学包覆、喷雾造粒以及低温烧结三个步骤：
步骤1、化学包覆，采用平均粒径为10～100nm的Al2O3粉末作为颗粒核心（2）材料，采用化学镀方法，化学镀的镀液中的镍离子还原沉积在具有催化活性的纳米粉体的颗粒核心（2）表面上，包覆后的镍合金/氧化铝纳米颗粒中镍元素的质量份数为20%～50%，化学包覆的反应式为：
Figure 632942DEST_PATH_IMAGE001
，式中，C为络合剂；m为络合剂配位体数目；R和O分别为还原剂的还原态和氧化态，上式分解为：
阴极反应：，
阳极反应：
Figure 660121DEST_PATH_IMAGE003
；
步骤2、喷雾造粒，将镍合金/氧化铝纳米颗粒、粘结剂、水、分散剂均匀混合，制备成具有粘度的浆料，采用喷雾干燥设备对浆料进行造粒处理，得到团聚状的镍合金/氧化铝纳米颗粒粉体；
步骤3、低温烧结，在惰性气体保护下对喷雾造粒后的粉体进行低温烧结处理，形成团聚状、疏松多孔球形镍合金/氧化铝纳米结构颗粒（1），烧结工艺参数见下表：
装载方式 烧结温度 / ℃ 惰性保护气体 烧结保温时间 / min 取料温度 / ℃ 松装 600～800 Ar2 30～40 300～400
。
3.根据权利要求2所述的纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：所述化学镀的镀液包括有镍盐、还原剂和络合剂，所述镍盐为硫酸镍、氯化镍醋酸镍、氨基磺酸镍及次磷酸镍的一种，所述还原剂为次磷酸钠、硼氢化钠、烷基胺硼烷中的一种，所述络合剂为乳酸、琥珀酸、苹果酸、酒石酸、柠檬酸、氨基酸中的一种或两种以上的混合物。
4.根据权利要求2所述的纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：所述粘结剂是聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，羧甲基纤维素(CMC)中的一种或两种以上的混合物。
5.根据权利要求2所述的纳米结构金属陶瓷热喷涂喂料的制备方法，其特征在于：所述喷雾干燥设备是高速离心喷雾干燥机，喷雾造粒过程离心盘转速设为10000～20000转/分钟，干燥气体的进口温度设定为200～400℃，出口温度为100～300℃。
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