CN104498944B - 一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法 - Google Patents

一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，步骤为：化学镀法制备纳米YSZ@Ni核壳粒子；Ni基合金表面进行打磨,用丙酮和酒精超声波清洗干净备用；将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与粘结金属粉球磨混合均匀；在上述混合粉中加入定量2wt% PVA‑124水溶胶体作为粘结剂充分搅拌；将处理好的粉末均匀涂覆在处理好的Ni基合金表面烘干；预置层激光熔覆处理。本发明的技术效果是：摸索出一种采用YSZ@Ni核壳结构改善纳米YSZ粒子的分散性、防止其在激光熔覆过程中的烧损，并且壳层金属Ni还可以与基体形成金属键，增强了纳米YSZ与过渡层的结合力，从而促进了纳米陶瓷涂层与基体的结合力的方法。

Description

一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法
技术领域
本发明涉及一种应用于航空发动机关键零部件表面的快速保护和修复等问题的纳米陶瓷涂层用材料的制备方法，具体涉及一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法。
背景技术
Y2O3部分稳定的ZrO2（简称为YSZ）由于具有优良的性能而成为目前广泛使用在涡轮发动机叶片等关键零部件上的热障涂层材料。使用一段时间后，由于氧化、磨损等过早地发生失效破坏而缩短其使用寿命，致使叶片等关键零部件不能正常工作。如何保护和快速修复发动机的关键零部件是亟待解决的主要问题。
激光熔覆快速制备耐磨耐蚀的纳米陶瓷涂层是解决这一问题的有效途径。激光熔覆是一种新的无接触、无污染、高效灵活的先进表面改性技术，它利用高能密度的激光束在基体表面熔覆粉末，形成与基体冶金结合的熔覆层。与传统表面技术相比，它具有以下优点：界面为冶金结合；组织极细；选材广泛；厚度可控；易实现选区熔覆和自动化生产，且生产周期短等。据报道，英国Roll-Royce公司曾对贵重叶片连锁肩进行激光熔覆修复，不仅解决了工件开裂问题，且单件加工时间由原来的14分钟降到75秒，获得了重大经济效益。然而，目前激光熔覆纳米陶瓷涂层在此领域的应用远未达到预期目标，究其原因是多方面的，其中裂纹、团聚和烧损等关键问题尤为突出。
针对陶瓷涂层在激光熔覆过程中的开裂和剥落等问题，国内外研究者尝试了多种方法，其中包括，采用多层涂覆，或在涂层与基体间引入过渡层；梯度涂层法；采用优化工艺参数，预热及后处理等技术手段；通过添加稀土氧化物，采用部分纳米粉末；也有通过原位合成法，克服了传统加入方法中陶瓷相与基体润湿性差的弱点，避免了陶瓷相在增强的同时又成为裂纹产生的根源。但目前也只是原位合成碳化物和硼化物陶瓷，主要集中在提高表面耐磨性等方面，其高温抗氧化性如何还是未知数。纳米氧化物陶瓷不仅具有较高的硬度，还具有优良的隔热、抗氧化性能。
有学者曾就纯纳米SiC和Al2O3粉末进行激光熔覆试验，研究发现纳米粉末由于表面与界面效应，使得其较微米、亚微米粉末更易团聚，导致纳米粒子的优异特性几乎完全丧失，实际效果较差。另外，激光熔覆过程中还存在纳米粉末易气化、飞溅等问题。这些因素的综合作用使得激光熔覆纯纳米粉末所制备的纳米结构涂层还达不到预期的效果。因此，保证纳米陶瓷在激光熔覆中不被大部分烧损和团聚是提高纳米结构陶瓷涂层的组织和性能的关键，对促进其实际应用具有重要意义。
而近几年来，由“核@壳”型复合粒子衍生出了多种先进材料，其良好的综合特性引起了人们的极大关注，为此，本发明采用YSZ@Ni纳米核壳结构改善纳米YSZ粒子的分散性，防止其在激光熔覆过程的烧损。迄今为止，国内外还没有关于对纳米核壳粒子粉末进行激光熔覆得到表面涂层的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足和缺陷，提供一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，应用于解决航空发动机关键零部件表面的快速保护和修复问题。
本发明是这样来实现的，一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，熔覆材料是采用化学镀法制备出的纳米核壳粒子粉末，组分为YSZ@Ni，其中YSZ是Y2O3部分稳定的ZrO2，以氧化锆为核层，Ni为壳层，其特征在于方法步骤如下：
第一步：化学镀法制备纳米YSZ@Ni核壳粒子；
第二步：Ni基合金表面进行打磨,用丙酮和酒精超声波清洗干净，干燥备用；
第三步：将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀；
第四步：在第三步均匀混合粉中，加入定量2wt% PVA-124水溶胶体作为粘结剂，充分搅拌，混合均匀；
第五步：将第四步处理好的粉末均匀涂覆在第二步处理好的Ni基合金表面，烘干；
第六步：预置层激光熔覆处理。
进一步的，所述纳米核壳粒子粉末中核部分为陶瓷相YSZ，壳层选取金属Ni。
进一步的，所述纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末中YSZ含量占总含量的40-60wt.%。进一步的，所述化学镀法制备的纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末粒度为80-200nm，其中壳层厚度大概为10-20nm，并且具有很好的分散性，纳米YSZ被壳层金属Ni所包覆。
进一步的，所述方法步骤第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，YSZ粉末先经30min超声分散，随后用120ml pH=9-10的NaOH溶液润湿，再超声波分散30min，将上述悬液加入配备好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml 水合肼，混合均匀。
进一步的，所述方法步骤第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，将备好的溶液至于55-75°C的超声波恒温水浴槽中，机械搅拌，向其中滴加1mol/L的NaOH溶液，使反应槽中的pH值保持在9-12。
进一步的，所述方法步骤第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，在溶液逐渐变成灰褐色，说明反应基本结束，继续反应一段时间，将所得产物过滤，用蒸馏水和酒精交替清洗多次，烘干。
进一步的，所述方法步骤第三步中将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀，采用的粘结金属成分为NiCoCrAlY，粉末粒径小于100µm。
进一步的，所述方法步骤第三步中将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀，球料比为13:1，转速为250-500r/min，球磨时间为5h。
进一步的，所述方法步骤第四步中采用的粘结剂PVA的浓度为2wt%。
进一步的，所述方法步骤第五步中处理好的预置层上进行激光处理，采用HGL-JKR5080型5kW横流CO2激光器加热熔覆，激光器输出功率P=800-1800W，光束扫描速度V=240-600mm/min；光斑直径D=3-5mm。
本发明的技术效果是：（1）本发明采用的化学镀法在纳米YSZ表面包覆一层金属Ni,形成核壳式结构。这种核壳式结构不仅可以缓解纳米粒子团聚问题，而且还可以防止纳米陶瓷烧损问题。另外，纳米YSZ表面包覆Ni后，还可以与涂层中的粘结金属形成金属键，增强了纳米YSZ与粘结金属的结合力；从而粘结金属又可与基体合金形成化学键，从而促进了纳米陶瓷涂层与基体的界面结合；（2）本发明摸索出一种采用YSZ@Ni核壳结构改善纳米YSZ粒子的分散性、防止其在激光熔覆过程中的烧损，并且壳层金属Ni还可以与基体形成金属键，增强了纳米YSZ与过渡层的结合力，从而促进了纳米陶瓷涂层与基体的结合力的方法；（3）本发明的顺利应用，对于加快纳米陶瓷涂层技术在耐磨损及耐高温等关键零部件表面的快速保护和修复领域的应用具有十分重要的意义。
附图说明
图1是本发明制备出的纳米核壳粒子粉SEM图。
图2是本发明制备出的纳米核壳粒子粉TEM图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明选取纳米核壳粒子粉末作为熔覆材料，其中以YSZ（氧化锆）为核层，Ni为壳层。YSZ是一种很有发展潜力的涂层材料，这是因为虽然陶瓷材料大都具有耐热和耐蚀的性能，但同其他陶瓷材料相比，YSZ具有较高的强度和断裂韧性、良好的耐磨性。此外，氧化锆涂层还具有优异的热力学性能如线膨胀系数较高，与目前普遍用作缓冲层的镍基合金较为相近，所以因热失配引起的热应力相对较小。而壳层金属Ni的熔点低于陶瓷，所以采用较低功率的激光就可熔化表面Ni，与基体金属反应，形成冶金结合，从而可以保护核层的纳米YSZ。
一种激光熔覆纳米核壳粒子粉末制备表面陶瓷涂层制备方法按下列步骤：
首先，采用化学镀法制备纳米核壳粒子。
（1）称取适量的NaOH，配制1mol/L的NaOH溶液备用。
（2）称取3.6gNiCl2·6H2O溶于30ml去离子水备用。
（3）使用前先将YSZ纳米粉末置于100 °C干燥箱中，烘烤24h以去除吸附在颗粒表面的水汽和杂质。
（4）用电子天平秤取0.13g纳米YSZ粉。
（5）YSZ粉末先经30min超声分散，随后用120ml pH=9-10的NaOH溶液润湿，再超声波分散30min。
（6）将上述悬液加入配备好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml 水合肼，混合均匀。
（7）将备好的溶液至于55-75°C的超声波恒温水浴槽中，机械搅拌，向其中滴加1mol/L的NaOH溶液，使反应槽中的pH值保持在9-12。
（8）随后溶液逐渐变成灰褐色，说明反应基本结束，继续反应一段时间，将所得产物过滤，用蒸馏水和酒精交替清洗多次，烘干；
其次，激光熔覆前，使用线切割出尺寸为60 mm×20 mm×5 mm Ni基合金试样若干，将试样表面粗化处理，并用丙酮和酒精超声波清洗干净，干燥备用；
最后，预置粉末于处理好的Ni基合金表面，烘干后，进行激光熔覆。
实施例一：
在镍基合金表面激光熔覆纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末制备纳米陶瓷涂层，其具体步骤是：
（1）采用化学镀法制备纳米YSZ@Ni核壳粒子；
（2）将化学镀法制备好的粒度为80-200 nm的纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末研磨均匀，一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀；
（3）在第二步均匀混合粉中，加入定量2wt% PVA-124水溶胶体作为粘结剂，充分搅拌，混合均匀；
（4）使用线切割出尺寸为60 mm×20 mm×5 mm Ni基合金试样，将试样表面粗化处理，并用丙酮和酒精超声波清洗干净，干燥备用；
（5）将第三步处理好的混合粉末均匀涂覆在第四步处理好的Ni基合金表面，烘干；
（6）在第五步处理好的预置层上进行激光处理，采用HGL-JKR5080型5kW横流CO2激光器加热熔覆，激光器输出功率P=800-1800W，光束扫描速度V=240-600mm/min；光斑直径D=3-5mm。
本发明未涉及部分均与现在技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，熔覆材料是采用化学镀法制备出的纳米核壳粒子粉末，组分为YSZ@Ni，其中YSZ是Y2O3部分稳定的ZrO2，以氧化锆为核层，Ni为壳层，其特征在于方法步骤如下：
第一步：化学镀法制备纳米YSZ@Ni核壳粒子；
第二步：Ni基合金表面进行打磨,用丙酮和酒精超声波清洗干净，干燥备用；
第三步：将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀；
第四步：在第三步均匀混合粉中，加入定量2wt% PVA-124水溶胶体作为粘结剂，充分搅拌，混合均匀；
第五步：将第四步处理好的粉末均匀涂覆在第二步处理好的Ni基合金表面，烘干；
第六步：预置层激光熔覆处理；
所述纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末中YSZ含量占总含量的40-60wt.%；
所述第三步中将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀，采用的粘结金属成分为NiCoCrAlY，粉末粒径小于100μm；
所述第三步中将纳米YSZ@Ni核壳粒子粉末与一定配比的粘结金属粉球磨混合均匀，球料比为13:1，转速为250-500r/min，球磨时间为5h。
2.根据权利要求1所述的一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，其特征在于：所述第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，YSZ粉末先经30min超声分散，随后用120ml pH=9-10的NaOH溶液润湿，再超声波分散30min，将上述悬液加入配备好的NiCl2溶液中，再向每份中加入4ml 水合肼，混合均匀。
3.根据权利要求2一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，其特征在于：所述第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，将备好的溶液至于55-75°C的超声波恒温水浴槽中，机械搅拌，向其中滴加1mol/L的NaOH溶液，使反应槽中的pH值保持在9-12。
4.根据权利要求3一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，其特征在于：所述第一步中化学镀法制备纳米核壳粒子，在溶液逐渐变成灰褐色，说明反应基本结束，继续反应一段时间，将所得产物过滤，用蒸馏水和酒精交替清洗多次，烘干。
5.根据权利要求1一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，其特征在于：所述第四步中采用的粘结剂PVA的浓度为2wt%。
6.根据权利要求1一种利用纳米核壳粒子粉末激光熔覆制备表面陶瓷涂层方法，其特征在于：所述第五步中处理好的预置层上进行激光处理，采用HGL-JKR5080型5kW横流CO2激光器加热熔覆，激光器输出功率P=800-1800W，光束扫描速度V=240-600mm/min；光斑直径D=3-5mm。
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