CN109266992A - 一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方，属于热喷涂陶瓷涂层材料领域。本发明所述方法为在稳定剂中添加增强剂后混合均匀，调节喷涂设备参数，与黏合剂同时用送粉器送粉进行热喷涂，喷涂过程中使稳定剂完全融化、增强剂部分融化，得到高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。本发明的高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层中存在部分未熔的增强剂颗粒，在涂层磨损过程中抑制微裂纹的产生或改变裂纹扩展方向，增强了涂层的韧性，提高了涂层的耐磨性能，延长了氧化铝基高温耐磨陶瓷复合涂层的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，属于热喷涂陶瓷涂层材料领域。
背景技术
氧化铝热喷涂陶瓷涂层因其耐高温、耐腐蚀、高硬度、耐磨损、化学稳定性较好等优点被广泛应用于航空航天、交通运输等高温耐磨领域。但氧化铝陶瓷材料晶体结构属于刚玉型，由强方向性的离子键和共价键结合，导致其自身具有高脆性低韧性，在高温磨损过程中产生微裂纹或微裂纹扩展成为其磨损失效的主要原因，这一特性严重影响了氧化铝陶瓷材料的使用寿命。
针对氧化铝基陶瓷涂层高温磨损过程中易产生裂纹及裂纹易扩展的问题，国内外研究工作者做了大量的研究来改善氧化铝陶瓷材料的这一特性，提出了现阶段的解决措施：（1）减少氧化铝基复合陶瓷涂层的喷涂缺陷，影响喷涂过程中产生缺陷的原因有很多，该方法不能完全避免缺陷的产生，而且成本极高。（2）给喷涂完成的涂层施加一个压应力，氧化铝陶瓷涂层塑性很差，在施加压应力的过程容易产生新的微裂纹，所以该方法不能较好的解决该问题。（3）消除涂层中的微裂纹，氧化铝熔点较高，喷涂温度较高，喷涂后冷却工程中温差较大，热应力较大，不能做到完全杜绝微裂纹的产生，而且其工艺较复杂，加工成本较高。所以现阶段的这些方法不能较好的解决该问题，而且制备的工艺及其复杂，成本较高，不能完全满足现阶段的要求。
因此针对上述的问题，需要一种涂层的配方既可以一定程度上抑制氧化铝基陶瓷涂层中微裂纹的产生，也可以阻碍高温磨损过程中微裂纹的扩展。
发明内容
本发明要解决的问题是：氧化铝基热喷涂陶瓷涂层高温磨损过程中易产生裂纹及裂纹易扩展的问题。
本发明的目的在于提供一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，既可以一定程度上抑制氧化铝基陶瓷涂层中微裂纹的产生，也可以阻碍高温磨损过程中微裂纹的扩展，具体包括以下步骤：
（1）将待喷涂基体表面进行喷砂粗燥处理和清洁处理；
（2）按比例称取稳定剂、黏合剂、增强剂，破碎并过325目筛后将配料粉末通过机械混合混匀；
（3）将稳定剂与增强剂混合均匀得到混合粉末；
（4）将步骤（2）得到的黏合剂与步骤（3）得到的混合粉末分别送入两个送粉器中，调节热喷涂参数，在步骤（1）得到的基材表面进行送粉热喷涂，得到双层高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。
步骤（2）中各原料的重量份数为：稳定剂55~80重量份，黏合剂17~30重量份，增强剂3~15重量份。
优选的，本发明所述稳定剂为氧化铝粉末、40%TiO2+60%Al2O3粉末中的一种。
优选的，本发明所述黏合剂为铝、铜、NiAl、NiCr中的一种。
优选的，本发明所述增强剂为二氧化锆、8%氧化钇稳定氧化锆、碳化硼中的一种。
优选的，本发明所述步骤（4）中热喷涂的条件为：热喷涂过程中喷涂距离为18-22mm；功率120-180kW；Ar流量100-150L/min；N2流量200-300L/min；H2流量10-20L/min，送粉电压为18V。
本发明所述方法中：基体表面的粗化、清洁处理（将基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为：锆刚玉、白刚玉或棕刚玉，其粒度为15~30μm），热喷涂（等离子喷涂、超音速火焰喷涂等）技术均为本领域的常规技术。
本发明的原理：稳定剂氧化铝的熔点为2050熔与增强剂氧化锆（熔点2700熔以上）、氮化硼（熔点2450氮）相差较大，可以通过控制喷涂过程中的喷涂功率大小（120-180kW），使稳定剂熔化而未达到增强剂的熔化温度，从而降低喷涂时的温度，从而达到抑制热裂纹产生的目的；该方法得到的涂层中会出现部分未完全熔化的硬质颗粒，在高温磨损过程中使未熔颗粒周围的微裂纹扩展的方向改变，从而达到抑制微裂纹扩展的目的。
本发明的有益效果：
本发明所述方法中通过原料的选择既可以一定程度上抑制氧化铝基陶瓷涂层中微裂纹的产生，也可以阻碍高温磨损过程中微裂纹的扩展；涂层制备成本较低、喷涂环境和设备要求较低，操作过程简单，操作人员要求低。
附图说明
图1为实例1制备涂层的界面和涂层界面裂纹扩展SEM图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
本实施例所述方法所用原料及重量份数为：稳定剂55重量份，黏合剂30重量份，增强剂15重量份，其中稳定剂为AT40，黏合剂为Al，增强剂为二氧化锆。
本实施例热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备及使用方法，以铝合金为基体，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取55gAT40，30gAl，15g二氧化锆，利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的55g AT40，15g 二氧化锆粉末进行充分混合。
（4）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中30g Al粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（热喷涂过程中喷涂距离为18mm；功率120kW；Ar流量100L/min；N2流量200L/min；H2流量10L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（1）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。
实施例2
本实施例所述方法所用原料及重量份数为：稳定剂80重量份，黏合剂17重量份，增强剂3重量份，其中稳定剂为氧化铝，黏合剂为Cu，增强剂为YSZ。
本实施例热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备及使用方法，以铜合金为基体，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取80g氧化铝、3g YSZ，17g Cu，利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的80g氧化铝、3g YSZ粉末进行充分混合。
（4）设置等离子喷涂设备参数，将17g Cu粉、步骤（3）中得到的混合粉末分别放入两个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（热喷涂过程中喷涂距离为22mm；功率180kW；Ar流量150L/min；N2流量300L/min；H2流量20L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（1）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。
实施例3
本实施例所述方法所用原料及重量份数为：稳定剂70重量份，黏合剂20重量份，增强剂10重量份，其中稳定剂为AT40，黏合剂为NiAl，增强剂为碳化硼。
本实施例热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备及使用方法，以铸铁为基体，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取70gAT40、20gNiAl，10g碳化硼，利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的70g AT40，10g碳化硼粉末进行充分混合。
（4）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中制得的20g NiAl粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（热喷涂过程中喷涂距离为19 mm；功率15 kW；Ar流量140L/min；N2流量260L/min；H2流量16 L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（1）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。
实施例4
本实施例所述方法所用原料及重量份数为：稳定剂65重量份，黏合剂25重量份，增强剂10重量份，其中稳定剂为氧化铝，黏合剂为NiCr，增强剂为二氧化锆。
本实施例热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备及使用方法，以不锈钢为基体，具体方法为：
（1）基材表面进行喷砂粗糙处理，然后利用干燥空气对喷砂表面进行清洁处理，喷砂粗糙过程中所使用的的沙粒材料为锆刚玉，其粒度为15~30μm。
（2）称取65g氧化铝、10g二氧化锆，25g NiCr；利用机械球磨法将物料进行破碎，过325目机械振动筛。
（3）把步骤（2）中制得的65g氧化铝，10g二氧化锆粉末进行充分混合。
（4）设置等离子喷涂设备参数，将步骤（2）中制得的25g NiAl粉末放入一个送粉器，将步骤（3）中制得的粉末放入另一个送粉器，设置等离子喷涂设备参数（热喷涂过程中喷涂距离为20 mm；功率170kW；Ar流量130 L/min；N2流量270L/min；H2流量17 L/min，送粉电压为18V），利用等离子喷涂设备在步骤（1）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层。
表1为本发明实施例1-4所得涂层与传统的氧化铝陶瓷涂层、传统AT40高温耐磨陶瓷复合涂层进行硬度、高温磨损失重测试、磨损后的涂层裂纹率测定等指标测试的数据比较，从表中可知，使用热喷涂高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层比传统的耐磨陶瓷涂层具有更小的裂纹率和高温耐磨性。
表1
注1：高温磨损失重实验后的涂层表面裂纹面积与总面积的比值。
注2：在900℃温度条件下的摩擦磨损失重检测。
图1为实施例1制备的高温耐磨氧化铝陶瓷复合涂层的SEM图，由图可以看出双路送粉的耐磨涂层包括粘结层、金属-陶瓷过渡层和陶瓷层；其中陶瓷涂层中的增强剂形成硬质小颗粒镶嵌在稳定剂形成的陶瓷中，当裂纹扩展通过硬质颗粒时裂纹扩展受阻，这样能极大的提高涂层耐磨性能。
以上举例只是本发明的部分运用举例，但是本发明不只限于实施例，只要其以任何相同或相似方法、工艺流程达到本发明的技术效果，都应落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）将待喷涂基体表面进行喷砂粗燥处理和清洁处理；
（2）按比例称取稳定剂、黏合剂、增强剂，破碎并过325目筛后将配料粉末通过机械搅拌混合混匀；
（3）将稳定剂与增强剂混合均匀得到混合粉末；
（4）将步骤（2）得到的黏合剂与步骤（3）得到的混合粉末分别送入两个送粉器中，调节热喷涂参数，在步骤（1）得到的基材表面进行送粉热喷涂，得到双层高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层；
步骤（2）中各原料的重量份数为：稳定剂55~80重量份，黏合剂17~30重量份，增强剂3~15重量份。
2.根据权利要求1所述高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述稳定剂为氧化铝粉末、40%TiO2+60%Al2O3粉末中的一种。
3.根据权利要求1所述高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述黏合剂为铝、铜、NiAl、NiCr中的一种。
4.根据权利要求1所述高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于：所述增强剂为二氧化锆、8%氧化钇稳定氧化锆、碳化硼中的一种。
5.根据权利要求1所述高温耐磨氧化铝陶瓷基复合涂层的制备方法，其特征在于：步骤（4）中热喷涂的参数为：热喷涂过程中喷涂距离为18-22mm；功率120-180kW；Ar流量100-150L/min；N2流量200-300L/min；H2流量10-20L/min，送粉电压为18V。
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