CN103952695A - 非晶陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非晶陶瓷涂层的制备方法，该方法的步骤如下：将激光熔覆用陶瓷材料加工成粉末状后，通过激光设备采用激光熔覆工艺熔覆到基体上，形成主体部分具有非晶结构的非晶陶瓷涂层；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：三氧化二铝：20%~75%；氧化锆10%~40%；稀土氧化物10%~60%。本发明方法不仅提高了玻璃形成能力，避免了在激光加工过程中由于快速熔化和快速冷却导致的其易产生裂纹的现象，大大提高了成品率，降低了生产成本，而且非晶陶瓷涂层韧性以及强度有显著提高，并具有优异的耐磨损和抗腐蚀性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种非晶陶瓷涂层的制备方法，属于涂层技术领域。
背景技术
目前，氧化物陶瓷（ZrO2、Al2O3等）涂层以其高熔点、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损及化学稳定性好等优异性能，广泛应用于机械、电子、石油、航空航天和生物医学工程等领域。热喷涂技术是当前应用最广泛的制备陶瓷涂层技术，工艺简单成熟，能够规模化制备。但热喷涂技术的特性决定了由该技术制成的涂层呈现出多孔的板条层状结构，而未熔化的颗粒、孔隙和微裂纹等大量缺陷的存在使得热喷涂涂层的性能比块体材料性能要差。
激光熔覆是一种重要的表面改性技术，利用高能激光束使涂层材料与基体表面薄层一起熔凝，从而形成与基体冶金结合良好的添料覆层的技术。与传统的涂层技术相比，激光熔覆具有能量密度高，所得涂层的稀释及热影响区小，冶金结合强度高等优点，在陶瓷涂层制备上具有良好的应用前景。激光熔覆利用高能激光束使陶瓷粉末及基体薄层熔化，形成良好冶金结合，进而提高原始基材表面的耐磨损等性能。采用激光制备的陶瓷涂层，具有组织细密、结合强度高等优点。但由于大部分金属与陶瓷之间存在较大的热膨胀、导热率等性能差异，容易导致基体与陶瓷结合缺陷，如裂纹和气孔等。另外，陶瓷材料本身脆性大，且激光加工过程具有快速熔化、快速冷却的特点，导致陶瓷涂层容易产生裂纹。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种非晶陶瓷涂层的制备方法，通过该方法不仅提高了非晶陶瓷涂层的玻璃形成能力，避免了在激光加工过程中由于快速熔化和快速冷却导致的易产生裂纹的现象，大大提高了成品率，降低了生产成本，而且非晶陶瓷涂层的韧性以及强度有显著提高，并具有优异的耐磨损和抗腐蚀性能。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种非晶陶瓷涂层的制备方法，该方法的步骤如下：将激光熔覆用陶瓷材料加工成粉末状后，通过激光设备采用激光熔覆工艺熔覆到基体上，形成主体部分具有非晶结构的非晶陶瓷涂层；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：
三氧化二铝：20%~75%；
氧化锆10%~40%；
稀土氧化物10%~60%。
优选地，所述的稀土氧化物为氧化钇或氧化镧或氧化钆或氧化铈或氧化镝或氧化钕或氧化铕中的一种或两种以上的混合物。
优选地，所述的非晶陶瓷涂层具有非晶结构的基体，并且该基体上均匀分布纳米晶结构。
优选地，该非晶陶瓷涂层的厚度为50μm~20mm。
优选地，采用同步送粉法工艺将粉末状的激光熔覆用陶瓷材料通过气流送入激光辐照区，从而使其与基体表面伴随激光扫描过程同时熔化形成冶金结合。
优选地，采用预置涂层法将粉末状的激光熔覆用陶瓷材料预先粘结或涂覆在基体表面，形成预置层，然后采用高能激光束对预置层进行扫描熔化，从而达到预置层与基体形成冶金结合。
优选地，所述预置涂层法采用热喷涂方法或粘结法，热喷涂方法为等离子喷涂方法或火焰喷涂方法。
优选地，所述的激光设备采用CO2激光器或固体激光器或光纤激光器。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、本发明采用的激光熔覆用陶瓷材料具有较高的玻璃形成能力，其形成玻璃所需的冷却速率可降低至103 Ks-1，从而解决了激光加工过程中，由于快速熔化、快速冷却，导致陶瓷涂层易产生裂纹的缺陷，可大大提高成品率，降低生产成本。
2、本发明方法制备的非晶陶瓷涂层，非晶态结构的主体部分可以大大提高非晶陶瓷涂层的耐蚀性能，增加的基体的部分纳米化可以显著提高材料的耐磨性能，改善材料塑性，与当前的氧化物陶瓷涂层相比，本非晶陶瓷涂层具有突出的韧性和强度以及优异的耐磨损、耐腐蚀性能，在热障涂层、耐腐蚀、耐磨等领域具有广阔的应用前景。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明，
实施例一：
一种非晶陶瓷涂层，它由激光熔覆用陶瓷材料制成，并且其主体部分具有非晶结构；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：
三氧化二铝：38.6%；
氧化锆19%；
氧化镧42.4%。
非晶陶瓷涂层的制备方法如下：
（1）采用以上各重量百分比的组份作为原料，加入适量异丙醇和氧化铝磨球，湿法球磨混合20小时，混合后的粉末烘干后，过100目筛。
（2）使用304不锈钢作为基体材料进行涂层制备，涂层熔覆前对基体进行喷砂处理。
（3）将前述混合后的粉末通过激光设备采用激光熔覆工艺熔覆到基体上，形成该非晶陶瓷涂层。激光设备采用光纤激光器，输出波长为1064 nm，采用连续输出模式，送粉方式为同步送粉。其工艺参数为：激光功率为300W，送粉量2.0 g/min，扫描速度为300 mm/min，形成的涂层厚度50μm-20 mm。
对本实施例获得的非晶陶瓷涂层进行测试，结果显示：用这种激光熔覆用陶瓷材料制备的涂层的主体部分具有非晶结构，结构致密，与基体形成冶金结合。
实施例二：
一种非晶陶瓷涂层，一种非晶陶瓷涂层，它由激光熔覆用陶瓷材料制成，并且其主体部分具有非晶结构；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：
三氧化二铝：43%；
氧化锆18%；
氧化铈39%。
非晶陶瓷涂层的制备方法如下：
（1）采用以上各重量百分比的组份作为原料，加入适量异丙醇和氧化铝磨球，湿法球磨混合20小时，混合后的粉末烘干后，过100目筛。
（2）将上述混合后的粉末通过大气等离子喷涂设备均匀喷涂到基体表面形成预置层，喷涂参数为：氩气40 L/Min、氢气10 L/Min、电压68V、电流650A，涂层厚度50μm-2 mm。
（3）对上述形成的预置层采用激光束进行扫描熔化形成涂层，激光设备采用光纤激光器，输出波长为1064 nm，采用连续输出模式。其工艺参数为：激光功率为600W，扫描速度为500 mm/min。
对本实施例获得的非晶陶瓷涂层进行测试，结果显示：通过等离子喷涂形成的预置层表面均匀，但具有较多的气孔，经过激光扫描后，气孔大大减少，结构致密、且与基体形成较高的结合强度。
实施例三：
一种非晶陶瓷涂层，一种非晶陶瓷涂层，它由激光熔覆用陶瓷材料制成，并且其主体部分具有非晶结构；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：
三氧化二铝：55.88%；
氧化锆15.6%；
氧化钇28.6%。
非晶陶瓷涂层的制备方法如下：
（1）采用以上各重量百分比的组份作为原料，加入适量异丙醇和氧化铝磨球，湿法球磨混合20小时，混合后的粉末烘干后，过100目筛。
（2）将步骤（1）所得混合后的粉末，与粘结剂PVB混合后调成膏状，均匀粘结在基体表面形成预置层，厚度100μm-2 mm。
（3）按照实施例二所述方法，对上述形成的预置层采用激光束进行扫描熔化形成非晶陶瓷涂层。
对本实施例获得的非晶陶瓷涂层进行测试，结果显示：用这种方法制备的非晶陶瓷涂层具有非晶结构，结构致密。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种非晶陶瓷涂层的制备方法，其特征在于该方法的步骤如下：将激光熔覆用陶瓷材料加工成粉末状后，通过激光设备采用激光熔覆工艺熔覆到基体上，形成主体部分具有非晶结构的非晶陶瓷涂层；其中，激光熔覆用陶瓷材料的组份和各组份的重量百分比如下：
三氧化二铝：20%~75%；
氧化锆10%~40%；
稀土氧化物10%~60%。
2.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述的稀土氧化物为氧化钇或氧化镧或氧化钆或氧化铈或氧化镝或氧化钕或氧化铕中的一种或两种以上的混合物。
3.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述的非晶陶瓷涂层具有非晶结构的基体，并且该基体上均匀分布纳米晶结构。
4.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法，其特征在于：所述的非晶陶瓷涂层的厚度为50μm~20mm。
5.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法：其特征在于：采用同步送粉法工艺将粉末状的激光熔覆用陶瓷材料通过气流送入激光辐照区，从而使其与基体表面伴随激光扫描过程同时熔化形成冶金结合。
6.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法：其特征在于：采用预置涂层法将粉末状的激光熔覆用陶瓷材料预先粘结或涂覆在基体表面，形成预置层，然后采用高能激光束对预置层进行扫描熔化，从而达到预置层与基体形成冶金结合。
7.根据权利要求6所述的非晶陶瓷涂层的制备方法：其特征在于：所述预置涂层法采用热喷涂方法或粘结法，热喷涂方法为等离子喷涂方法或火焰喷涂方法。
8.根据权利要求1所述的非晶陶瓷涂层的制备方法：其特征在于：所述的激光设备采用CO2激光器或固体激光器或光纤激光器。
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