CN104862637A - Co-ZrO2-HfO2纳米涂层材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料及其制备方法，其组分及各组分的质量百分数为Co占15-28份、ZrO₂占35-64份、HfO₂占25-44份、TiO₂占1份、微量元素占0.11-0.68份，所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn，其制备方法为：采用气雾化法制得Co-ZrO₂-HfO₂的纳米球；然后将制得的纳米球采用活性剂保护法混合W、Mn、Al、Cu、Zn制得纳米粉末。本发明制成的Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层的硬度可达到HRC50，具有一定的硬度和抗磨损性能，结合强度、抓附力较高，适用于耐高温的工件表面，并具有一定的铁磁性和绝缘性能。

Description

Co-ZrO2-HfO2纳米涂层材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热喷涂技术领域，具体说是Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料及其制备方法。

背景技术

热喷涂是指一系列过程，在这些过程中，细微而分散的金属或非金属的涂层材料，以熔化或半熔化状态，沉积到经过制备的基体表面，形成某种喷涂沉积层。它是利用某种热源(如电弧、等离子喷涂或燃烧火焰等)将粉末状或丝状的金属或非金属材料加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流本身或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能的表面涂层的技术。热喷涂利用由燃料气或电弧等提供的能量。

热喷涂主要有以下几方面的特点：1.表面工程和多种复合材料的结合在材料设计中具有明显的优势；2.可方便地调整材料的化学成分；3.能够动态形成具有特殊结构性能的复合材料；4.多种材料和多种技术的复合可获得优异的性能。因此热喷涂材料的研究是21世纪热喷涂发展的决定性因素，也是热喷涂技术发展的驱动。

然而，传统的喷涂技术使用的材料结合强度差、气孔率高、耐磨性差，使得热喷涂技术的优点难以凸显，热喷涂技术难以普及。新型热喷涂材料需要弥补这些缺陷，采用新工艺、新方法、新配方制得具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性，微观组织结构均匀，综合力学性能优良的材料是热喷涂技术发展的迫切的需求，是产品循环利用和环保节能的趋势要求。

发明内容

为了解决传统涂层耐磨性较差，硬度较低等问题，本发明提供Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料及其制备方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其组分及各组分的质量份数为Co占15-28份、ZrO₂占35-64份、HfO₂占25-44份、TiO₂占1份、微量元素占0.11-0.68份，所述TiO₂作为添加剂加入，能提高材料的力学性能。

Co的物理、化学性质决定了它是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。钴基合金或含钴合金钢用作燃汽轮机的叶片、叶轮、导管、喷气发动机、火箭发动机、导弹的部件和化工设备中各种高负荷的耐热部件以及原子能工业的重要金属材料。Co作为粉末冶金中的粘结剂能保证硬质合金有一定的韧性。

ZrO₂硬度次于金刚石，能有效提高涂层的硬度和耐磨性。

HfO₂是具有宽带隙和高介电常数的陶瓷材料，耐火性强，可提高涂层耐高温性。

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，在涂层中能有效提高涂层的硬度耐磨性。

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用气雾化法制得Co-ZrO₂-HfO₂的纳米球；

(2)将步骤(1)中制得的纳米球采用活性剂保护法混合W、Mn、Al、Cu、Zn制得纳米粉末。

本发明的有益效果是：本发明制成的Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层的硬度可达HRC50，具有一定的硬度和抗磨损性能，结合强度、抓附力较高，密度可达8.743g/cm³,喷涂厚度可达3毫米，致密度良好为0.76，本发明可适用于耐高温的工件表面，并具有一定的铁磁性和绝缘性能，也可用在一些特殊的合金材料上，综合性能优于传统涂层材料，硬度高、耐磨性好与传统合金材料相比有着很大的进步。

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是本发明的纳米组织结构晶粒分析图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段和创作特征易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

实施例一：

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其组分及各组分的质量份数为Co占15份、ZrO₂占35份、HfO₂占44份、TiO₂占1份、微量元素占0.11份。

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用气雾化法制得Co-ZrO₂-HfO₂的纳米球；

(2)将步骤(1)中制得的纳米球采用活性剂保护法混合W、Mn、Al、Cu、Zn制得纳米粉末。

实施例二：

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其组分及各组分的质量份数为Co占18份、ZrO₂占42份、HfO₂占32份、TiO₂占1份、微量元素占0.23份。

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，同实施例一。

实施例三：

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其组分及各组分的质量份数为Co占25份、ZrO₂占54份、HfO₂占38份、TiO₂占1份、微量元素占0.51。

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，同实施例一。

实施例四：

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其组分及各组分的质量份数为Co占28份、ZrO₂占64份、HfO₂占44份、TiO₂占1份、微量元素占0.68。

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。

Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，同实施例一。

参照图1，采用超音速喷涂技术在以20Co钢为基体的棍类工件上制得Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层，带有所述涂层的基体与无所述涂层的基体的结合强度、显微硬度、气孔率以及抗磨粒磨损性能对比实验结果见表1：

表1 Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层与20Co钢基体的性能对比实验结果：

实验组编号	孔隙率(AREA％)	结合强度(MPa)	显微硬度(HV)
				1	0.525	70.2	936
2	0.456	75.3	922
				3	0.642	73.4	1055
4	0.562	66.8	1021
				平均值	0.546	71.4	983
对比组	0.621	58.2	822

采用超音速喷涂技术在以20Co钢为基体的棍类工件上制得Co-ZrO₂-HfO₂涂层，带有所述涂层的基体与无所述涂层的基体的磨损量对比实验结果见表2：

表2 Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层与20Co钢基体的磨损量对比实验结果：

实验组编号	磨损前(g)	磨损后(g)	磨损量(g)
				1	56.5252	56.5202	0.0050
2	56.3252	56.3211	0.0041
				3	56.8541	56.8487	0.0054
4	56.8543	56.8501	0.0042
				对比组	56.7322	56.7261	0.0061

由表1和表2可见，Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层的综合性能优异，耐磨性好。

本发明适用于超音速喷涂，可用喷涂钢材有：Cr12MoV、Cr12、SKD61、4Cr5MoSiV1、4Cr5W2VSi、8Cr3等，还可喷涂一些对硬度要求比较高的工件或工具钢表面处理，以提高工件表面硬度和耐磨性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料，其特征在于：其组分及各组分的质量份数为Co占15-28份、ZrO₂占35-64份、HfO₂占25-44份、TiO₂占1份、微量元素占0.11-0.68份；

所述微量元素为W、Mn、Al、Cu、Zn。

2.Co-ZrO₂-HfO₂纳米涂层材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)采用气雾化法制得Co-ZrO₂-HfO₂的纳米球；

(2)将步骤(1)中制得的纳米球采用活性剂保护法混合W、Mn、Al、Cu、Zn制得纳米粉末。