CN107915484B - 一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法，包括以下步骤：步骤一：采用喷雾造粒制备粒径为20~106um的多孔氧化锆粉末，并且将制得的粉末在800~1000℃下煅烧，保温1~5小时；步骤二：将煅烧后的粉末送入等离子喷枪中进行球化，其特征在于，在喷枪出口沿焰流轴向方向10~500mm，径向10~50mm的区域内，设置保温区，并且使保温区内的温度不低于氧化锆粉末的熔点；步骤三：在保温区出口外收集冷却后粉末。通过设置控制区的长度，可以调控粉末的空心度，进而获得不同空心度的粉末。由于采用的是保温方式，不需要额外增加加热装置，因此，本发明方法简便可行，成本低。

Description

一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷材料领域，具体涉及一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末粉末的制备方法。
背景技术
氧化锆涂层具有高的熔点和低的热导率，被广泛应用于工作在高温下部件，如航空发动机的涡轮叶片、火焰筒，火箭发动机的喷管等的热防护。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，并且相变过程中同时伴随较大的体积变化，因此，在使用过程中，通常根据应用的环境，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，以抑制其发生相变，防止体积变化导致涂层开裂。
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等，其中热喷涂法由于工艺简单高效而被广泛使用。热喷涂法制备氧化锆涂层的基本原理是，采用诸如等离子体作为热源，将送入喷枪焰流中的氧化锆粉末快速熔化并不断加速，形成具有一定飞行速度的熔滴。熔滴撞击到产品表面，经变形、铺展和冷却凝固后，相互堆叠形成涂层。由于粉末在焰流中的被熔化和被加速两个过程同时进行，因此，粉末在焰流中的停留时间极短，一般不超过1秒。氧化锆由于具有极高的熔点和极低的热导率，在短的停留时间下很难被熔化而造成涂层中存在夹生粉末，因此，热喷涂制备氧化锆涂层时，通常采用焰流温度较高的等离子喷涂来制备涂层，并且在等离子喷涂时，往往需要通过提高喷涂功率来提高焰流温度，通过降低主气流量来提高粉末在焰流中的停留时间，以提升氧化锆粉末的熔化程度。但是，提高喷涂功率、降低主气流量同时也会带来能耗增加，喷枪的喷嘴电极等部件损耗加快，喷涂过程中工件防护困难等不利因素，导致喷涂成本增加，涂层质量控制困难。
通过将氧化锆粉末的颗粒做成中空结构，可以增大颗粒的表面积，进而增加颗粒与焰流的接触面积，在较短的时间内使更多的热量传递到粉末中，是提高氧化锆粉末熔化程度的一种途径。采用中空结构同时也减小了从粉末表面到内部的传热距离，能够防止实心粉末在喷涂过程中因芯部不能全部被熔化而在涂层中形成的“夹生”现象。在同种颗粒质量的情况下，粉末颗粒的空心度（粉末颗粒中，空心部分的体积与整个颗粒体积之比）越高，其表面积就越大、其壁厚就越小，粉末的就越易被熔化。因此，高空心度氧化锆粉末制备是该领域技术的发展方向。
现有的空心粉末制备方法，如CN 104129991B，采用通过控制喷雾造粒用浆料的分散性，使浆料在喷雾造粒干燥阶段，由于水分蒸发产生毛细管力，在毛细管力的作用下，粒子向颗粒表面移动而形成空心粉末。该种方法形成空心粉末的前提是，粒子必需足够小且在向液滴表面移动过程中不能存在阻碍，因此，一般需要采用纳米氧化锆原粉，且粉末的空心度较低。美国专利US4450184和中国专利CN 104129991A，采用了等离子球化法，首先采用喷雾造粒制得的多孔粉末，然后采用等离子喷枪或火焰喷枪产生的高温焰流，在将多孔粉末熔化的同时，将其中的空气“捕获”，含有气体的熔滴离开喷枪焰流后，自然冷却或喷入水中冷却后，即形成中空球形粉末。采用该种方式制备空心粉末时，颗粒的空心度取决于熔滴内气体的温度，气体的温度越高，其体积膨胀就越大，熔滴的体积也就变大，冷却后形成粉末的空心度就越高。但是，由于等离子喷枪或火焰喷枪的温度梯度大，氧化锆粉末的熔点高，热导率低，粉末在焰流中被加热的时间短等因素，熔滴内气体的温度不高，且焰流末端的温度往往低于氧化锆的熔点，造成熔滴外壳凝固，无法继续膨胀，因此，采用该种方法制备的粉末，其中的绝大部分颗粒的空心度较低（一般低于30%）。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有制备技术的不足，提供一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法。采用该方法制备的粉末，颗粒具有高的空心度（高于50%），或粉末的壁厚在其外径的10%以内，也即具有薄壳结构。
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的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用喷雾造粒制备粒径为20~106um的多孔氧化锆粉末，并且将制得的多孔氧化锆粉末在800~1000℃下煅烧，保温1~3小时；
步骤二：将煅烧后的粉末送入等离子喷枪中进行球化，其特征在于，在喷枪出口沿焰流轴向方向10~500mm，径向10~50mm的区域内，设置保温区，并且使保温区内的温度不低于氧化锆的熔点；
步骤三：在保温区出口外收集冷却后多孔氧化锆粉末。
作为本发明的进一步改进，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、氧化铈的一种或多种组成的混合物。
本发明通过下列原理来实现一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法：虽然等离子喷枪出口处的焰流在10000℃以上，远高于氧化锆熔点（纯氧化锆的熔点~2700℃），但是，由于与周围环境的热交换，在焰流方向上（一般小于80mm），焰流的温度梯度极大，焰流末端处的温度往往低于氧化锆的熔点，造成熔滴外壳凝固，无法继续膨胀。通过在等离子喷枪焰流外设置保温区，并且保证保温区的温度不低于粉末的熔点，使熔滴在飞出焰流区后外壳不凝固，并且熔滴内的气体继续受热和膨胀，从而制备出采用现有方法无法制备的高空心度的粉末。通过设置保温区的长度，可以调控粉末的空心度，进而获得不同空心度的粉末。由于采用的是保温方式，不需要额外增加加热装置，因此，本发明方法简便可行，成本低。
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为本发明保温区结构示意图；其中，图中标示：1-氧化锆粉末；2-喷枪；3-保温材料。
图2a为本发明实施例1所制备的粉末截面SEM图，图2b为本发明实施例1条件下，不增加保温区时粉末截面的SEM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
采用由喷雾造粒的8%氧化钇稳定氧化锆粉末，粒径范围在20~106um，并在800℃下煅烧，保温2小时。采用METCO 9MB等离子喷枪球化，在喷枪出口长500mm、径向40mm区域设置保温区，在保温区出口外1000mm处收集冷却后粉末，即可制得空心度约为62%的薄壳结构8%氧化钇稳定氧化锆粉末。所制备粉末截面SEM图如附图2a，不增加保温区时粉末截面的SEM如图2b。可以看出，增加保温区后，粉末的空心度明显增加。
实施例2
采用由喷雾造粒的7%氧化钇稳定氧化锆粉末，粒径范围在20~106um，并在900℃下煅烧，保温2小时。采用METCO 9MB等离子喷枪球化，在喷枪出口长100mm、径向40mm区域设置保温区，在保温区出口外1000mm处收集冷却后粉末，即可制得空心度为54%的薄壳结构氧化锆粉末。
实施例3
采用由喷雾造粒的20%氧化钙稳定氧化锆粉末，粒径范围在20~106um，并在1000℃下煅烧，保温1小时。采用METCO 9MB等离子喷枪球化，在喷枪出口300mm距离，径向50mm区域设置保温区，在保温区出口外1000mm处收集冷却后粉末，即可制得空心度为60%的薄壳结构氧化钙稳定氧化锆粉末。
实施例4
采用由喷雾造粒的25%氧化铈稳定氧化锆粉末，粒径范围在20~106um，并在900℃下煅烧，保温1小时。采用METCO 9MB等离子喷枪球化，在喷枪出口200mm距离，径向40mm区域设置保温区，在保温区出口外1000mm处收集冷却后粉末，即可制得空心度为55%的薄壳结构氧化铈稳定氧化锆粉末。
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 (2)

1.一种热喷涂用薄壳结构氧化锆粉末的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：采用喷雾造粒制备粒径为20~106um的多孔氧化锆粉末，并且将制得的多孔氧化锆粉末在800~1000℃下煅烧，保温1~5小时；
步骤二：将煅烧后的粉末送入等离子喷枪中进行球化，在喷枪出口沿焰流轴向方向10~500mm，径向10~50mm的区域内，设置保温区，并且使保温区内的温度不低于氧化锆粉末的熔点；
步骤三：在保温区出口外收集冷却后多孔氧化锆粉末。
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的制备方法，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、氧化铈的一种或多种组成的混合物。
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