CN107740031A - 一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，粉末颗粒具有类似乒乓球的薄壳球形或近球形中空结构，并且颗粒的壁厚小于其外径的10%；由于薄壳结构氧化锆粉末更容易被熔化，采用等离子喷涂时，在同种送粉率的条件下，其喷涂功率可以降低40%以上，喷嘴、电极等部件的使用寿命延长50%以上；在同种喷涂功率条件下，生产效率（送粉量）可以提高40%以上；使用本发明的薄壳结构氧化锆粉末，也可采用火焰喷涂工艺方法来制备氧化锆涂层。火焰喷涂的设备成本约为等离子喷涂设备的十分之一，同时具有运行成本低、体积小、可方便运输到产品现场进行涂层施工等特点。

Description

一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末

技术领域

本发明属于陶瓷涂层材料领域，具体涉及一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末。

背景技术

氧化锆涂层具有高的熔点、极低的热导率和良好的抗化学腐蚀性能等，常常被用于在高温下工作部件的热防护。根据温度不同，氧化锆具有单斜、四方和立方三种不同的相结构，并且三种不同的相在相互转变的过程中，同时伴有较大的体积变化，因此在应用过程中，通常根据其应用的环境，在氧化锆中掺入相稳定剂如氧化钇、氧化镁、氧化钙、氧化铈等，以抑制相变，防止相变过程中的体积变化而导致涂层开裂。

常用氧化锆涂层的制备方法有电子束增强物理气相沉积和热喷涂法。其中，热喷涂法由于工艺简单高效、成本低并且能够制备厚涂层而被广泛应用。热喷涂法是利用等离子体或氧乙炔火焰等作为热源，将送入到其焰流中的粉末快速熔化并加速，形成具有一定飞行速度的熔滴。熔滴离开焰流后，以一定的速度撞击到产品表面，经过变形、铺展、冷却和凝固后，相互堆叠形成涂层。

在热喷涂工艺中，粉末的熔化程度、熔滴撞击工件表面前的飞行速度是决定涂层质量的关键因素。若要保证涂层质量，粉末应全部被熔化并且熔滴需要被加速到一定的飞行速度。由于粉末在焰流中，被熔化和被加速两个过程并行发生，因此，粉末会快速飞离火焰。粉末在焰流中的停留时间极短，一般不超过1秒。在如此短的停留时间下，粉末的熔化程度往往取决于焰流的温度和速度，粉末的熔点、热导率、颗粒质量、颗粒与焰流的接触面积等。

氧化锆由于具有高的熔点和低的热导率，在较短的停留时间内很难被快速熔化，因此，在热喷涂制备氧化锆涂层时，只能采用焰流温度较高等离子喷涂来制备。与火焰喷涂相比，等离子喷涂设备不仅体积庞大、价格昂贵、运行成本高，同时，在等离子喷涂过程中，为了保证氧化锆粉末的均匀熔化和涂层质量，一般采用下述的工艺方案：（1）在保证粉末飞行速度的情况下，尽可能使用粒径（质量）较小的粉末；（2）在设备的能力范围内，尽可能采用较高的喷涂功率；（3）在高的喷涂功率条件下，尽可能采用低的主气流速。上述方式虽然可以解决粉末熔化的问题，但同时也带来了以下方面的不足：（1）当粉末颗粒的质量小时，并且送入高温区的粉末烧损严重；（2）为了保证粉末充分熔化，防止涂层中存在“夹生粉”，一般采用较低的送粉量，从而导致生产效率不高并且容易在涂层中产生热应力。特别是在采用内孔式喷枪喷涂时，由于内孔喷枪一般在较低的功率下运行，通常需要采用极低的送粉量；（3）在高喷涂功率和低主气流量的情况下，不仅能耗高，工件非喷涂部位的热防护困难，同时，喷嘴和电极等部件的消耗速度变大，生产成本变高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末。使用该种粉末，在采用等离子喷涂时，可以在低功率、高送粉率的工艺条件下制备涂层。同时，该种粉末也可以采用设备价格和运行成本均较低的火焰喷涂来制备氧化锆涂层，并且所制备的涂层性能优异。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，粉末颗粒具有类似乒乓球的薄壳球形或近球形的中空结构，并且颗粒的壁厚小于其外径的10%；

作为本实用的进一步改进，粉末是由氧化锆与氧化钛、氧化钇、氧化钆、氧化镱、氧化钙、氧化镁等的一种或多种组成的混合物或化合物；

作为本实用的进一步改进，不低于90%的粉末颗粒的粒径位于20~150um之间；

作为本实用的进一步改进，粉末的用途为采用热喷涂方法来制备氧化锆涂层。

本发明通过以下方面的技术原理来实现：由于采用了薄壳结构，与相同质量的实心粉末相比，（1）本发明粉末颗粒的表面积增大了1.5倍以上，明显增加了与焰流的接触传热面积；（2）本发明粉末颗粒的壁厚小于同质量实心粉末半径的四分之一，并且没有芯部，减小了从粉末表面到芯部的传热距离，避免传统粉末芯部常常难以熔化而导致涂层中存在“夹芯”的现象。因此，本发明一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，可以在较短停留时间内，粉末能够被更好的熔化。

与传统的热喷涂用氧化锆粉末相比，由于薄壳结构氧化锆粉末更容易被熔化，采用该种粉末制备涂层时，具有以下方面的优点：（1)采用等离子喷涂时，在同种送粉率的条件下，其喷涂功率可以降低40%以上，喷嘴、电极等部件的使用寿命延长50%以上；在同种喷涂功率条件下，生产效率（送粉量）可以提高40%以上；（2）使用本发明的薄壳结构氧化锆粉末，可以使用火焰喷涂工艺方法来制备涂层。火焰喷涂的设备成本约为等离子喷涂设备的十分之一，同时具有运行成本低、体积小、可方便运输到产品现场进行涂层施工等特点。因此，使用本发明的薄壳结构氧化锆粉末制备氧化锆涂层，其综合效益明显。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明粉末的结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合实施例做详细的说明。

实施例1

采用本发明薄壳结构氧化钇部分稳定氧化锆粉末和市售氧化锆粉末，在同一设备下制备氧化锆高温隔热涂层，以对比其工艺性能和最终的涂层性能。

本发明薄壳结构氧化锆粉末，壁厚约为其外径的8%，市售氧化锆粉末为Metco 204NS，采用的喷涂设备为Metco 9MB等离子喷涂设备，采用的喷涂工艺参数为该设备条件下，经过正交实验优化所获取的最佳喷涂参数。所采用的喷涂参数和典型的涂层性能对比如下表1所示：

表1两种粉末的喷涂工艺参数和涂层性能对比

注1：涂层的结合强度采用ASTM C633标准测试。

注2：涂层的抗热震性能的测试条件是1050℃，水冷。

从上表中可以看出，在相同送粉率条件下，使用本发明薄壳结构氧化锆粉末，喷涂功率降低了接近一半；或在相同喷涂功率条件下，送粉率提升了一倍以上。同时，涂层的性能如结合强度和抗热震性能更高，涂层的热导率更低，说明采用本发明粉末制备涂层，不仅可以明显降低喷涂成本低，同时，涂层也具有更长的使用寿命和更好的隔热效果。

实施例2

本发明薄壳结构氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷粉末，其壁厚约为其外径的3%。采用市售氧乙炔火焰喷枪来制备隔热涂层，喷涂参数为经过正交试验优化，所采用的喷涂参数和典型的涂层性能如下表2所示：

表2 薄壳结构氧化锆粉末的氧乙炔火焰喷涂工艺参数和涂层性能

从上表可以看出，使用普通的氧乙炔火焰喷枪和本发明的薄壳结构氧化锆粉末，可以制备出氧化锆隔热涂层，不仅设备成本低，同时涂层也具有更低的热导率，其隔热效果更好。涂层的热导率低主要是因为氧乙炔火焰喷枪的焰流速度低，在粉末能够被熔化的情况下，所制备涂层的孔隙率高，因此具有更好的隔热效果。虽然涂层的结合强度和抗热震性能略低于采用等离子喷涂制备的涂层，但是综合考虑工艺成本和隔热性能优势，该种涂层在对结合强度和抗热震性能要求相对不高的产品中极具竞争优势。

实施例3

使用本发明薄壳结构含有氧化镱、氧化钆和氧化钇的氧化锆粉末，其壁厚约为其外径的8.7%，和传统结构的氧化镱、氧化钆和氧化钇的氧化锆粉末来对比涂层的性能。所采用的喷涂设备为Metco 9MB等离子喷涂设备，所采用的喷涂工艺参数为经过正交实验优化获取的最佳喷涂参数。喷涂参数和典型的涂层性能对比如下表3所示：

表3两种粉末的喷涂工艺参数和涂层性能对比

从上表可以看出，与传统粉末相比，使用本发明的薄壳结构粉末，在喷涂功率、生产效率（送粉率）、涂层性能等方面均具有明显的优势。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，其特征在于，粉末颗粒具有类似乒乓球的薄壳球形或近球形中空结构，并且颗粒的壁厚小于其外径的10%。

2.根据权利要求1所述的一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，其特征在于，粉末是由氧化锆与氧化钛、氧化钇、氧化钆、氧化镱、氧化钙、氧化镁等的一种或多种组成的混合物或化合物。

3.根据权利要求1所述的一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，其特征在于，不低于90%的粉末颗粒的粒径位于20~150um之间。

4.根据权利要求1所述的一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末，其特征在于，粉末的用途为采用热喷涂方法来制备氧化锆涂层。