CN109554656B - 一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法和系统，具体为对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；并在所述基本表面制备氧化膜；将金属氧化物陶瓷粉末送入高温热源形成高温熔融粒子；并在常温大气氛围下将携带有高温熔融粒子的高温焰流喷向基体表面，高温焰流中的高温熔融粒子到达基体表面时，熔融粒子在碰撞后铺展中与基体表面的氧化膜完全润湿形成致密涂层，能够避免贯通空隙的形成，腐蚀介质也就无法到达基体表面对基体造成腐蚀，从而能够使这种陶瓷涂层能够用作良好的耐腐蚀涂层。

Description

一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法和系统

技术领域

本发明涉及材料处理技术领域，特别是涉及一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法和系统。

背景技术

陶瓷材料具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀、以及绝缘等特殊优越性能，因此，作为材料保护涂层与功能涂层进行应用是利用陶瓷优越性能的一种重要的形式。目前，陶瓷涂层的制备方法主要有气相沉积方法、热喷涂方法等。

其中，气相沉积主要适用于厚度有限(一般小于10μm)的薄涂层，即陶瓷薄膜的制备，而热喷涂是制备较高厚度的高性能陶瓷涂层、提高材料耐腐蚀、耐磨损等服役性能或赋予服役材料表面特殊功能的重要方法。在制备涂层时，将粉末颗粒送进作为热源的高温射流中，被加热至熔融或接近熔融的状态，依次碰撞在基体的表面堆积而形成陶瓷涂层。

常用的陶瓷涂层材料包括TiO₂，Al₂O₃，Al₂O₃-TiO₂，Cr₂O₃和ZrO₂等，这些材料的熔点较高，通常接近或高于2000℃。这些陶瓷涂层由源于这些材料的熔融或半熔态的粒子变形形成的圆盘状粒子堆积而成层状结构，而熔滴沉积铺展时由于高熔点特征使得快速冷却过程中的液固界面温度难以达到形成结合的高温条件，从而使这种具有层状结构的喷涂涂层内的粒子层之间的界面结合呈现有限结合状态，而这种有限结合状态显著影响着或甚至控制着涂层的各种性能。

研究表明这些热喷涂陶瓷涂层的粒子层间结合率非常有限，最大仅为32％(见文献1：Li and Ohmori,J.Thermal Spray Technol.,2002,Vol.11,pp.365-374)，而涂层的各种力学性能(如弹性模量、断裂韧性、冲蚀磨损率)、电导率、热导率等受到涂层内粒子层之间的界面的有限结合的控制，使得上述性能均为相应块体性能的10％～30％(如文献2：Kuroda and Clyne,Thin Solid Films,1991,Vol.200,pp.49-66；前述文献1)。这不仅使得陶瓷材料优越的耐磨损性能难以发挥，未结合的界面形成的孔隙与垂直裂纹还会相互连通构成贯通孔径，贯通孔径从涂层表面贯通至基体界面，使得陶瓷涂层不能完全阻挡隔离腐蚀介质与基体的接触，从而使在喷涂态下制得的陶瓷涂层难以用作耐腐蚀涂层。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供了一种室温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法和系统。具体方案如下：

一种大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法，包括步骤：

一种常温大气氛围下金属氧化物陶瓷涂层的制备方法，包括步骤：

对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

对所述基体表面进行氧化处理，形成基于所述基体表面的氧化而长出的氧化膜；

将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流中，以使所述金属氧化物陶瓷粉末在所述高温焰流的作用下形成熔融状态的熔融粒子；

在常温大气氛围下，将携带有所述熔融粒子的高温焰流喷向所述基体表面，并经过预设距离的飞行后到达所述基体表面，以使所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面形成充分化学结合，并沉积于所述基体表面上。

可选的，所述金属氧化物陶瓷粉末为熔点小于1450℃的氧化物陶瓷材料粉末。

可选的，所述熔融粒子在快速过冷状态下，其熔体粘度随过冷温度的变化呈现弱的液体特征。

可选的，所述高温焰流为高温等离子射流或高温燃烧火焰。

可选的，所述金属氧化物陶瓷粉末的粒子为5～150m范围的任意粒度范围。

可选的，所述的基体表面为原始基体表面或在所述原始基体表面上制备的金属合金粘结层；

可选的，所述金属合金粘结层为NiCrAl涂层、NiAl涂层或NiCrAlMo涂层。

还提供了一种常温大气氛围下大气氛围下金属氧化物致密陶瓷涂层的制备系统，包括：

第一预处理设备，用于对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

第二预处理设备，用于对所述基体表面进行氧化处理，形成基于所述基体表面的氧化而长出的氧化膜；

粉末输送设备，用于将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流，以使所述金属氧化物陶瓷粉末在高温焰流的作用下形成熔融状态的熔融粒子；

热喷涂子设备，用于在大气氛围下，将携带有所述熔融粒子的高温焰流喷向所述基体的表面，并经过预设距离的飞行到达所述基体表面，以使所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面形成充分化学结合，并沉积于所述基体表面上。

可选的，所述热喷涂设备为等离子喷涂设备或火焰喷涂设备。

从上述技术方案可以看出，其中的熔融粒子在碰撞后铺展中与基体表面的氧化膜完全润湿形成致密涂层，能够避免贯通空隙的形成，腐蚀介质也就无法到达基体表面对基体造成腐蚀，从而能够使这种陶瓷涂层能用作良好的耐腐蚀涂层

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法的流程图；

图2a为采用本发明的方法制备的熔点为1350～1375℃的K₂Ti₆O₁₃层的断面组织照片；

图2b为采用本发明的方法制备的熔点为1350～1375℃的K₂Ti₆O₁₃涂层的断裂面形貌照片；

图3为常温下等离子喷涂YSZ涂层的断裂面结构的电镜照片；

图4a为采用本发明的方法在喷涂距离130mm下制备的Mg₃B₂O₆涂层的断面组织的低倍电镜照片；

图4b为采用本发明的方法采用本发明的方法在喷涂距离150mm下制备的Mg₃B₂O₆涂层的断面的高倍电镜照片；

图5为本发明实施例提供的一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备系统的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

图1为本发明实施例提供的一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法的流程图。

参照图1所示，本实施例提供的制备方法是在常温大气氛围下利用高温焰流在基体表面涂覆相应的致密的金属氧化物陶瓷涂层，具体的制备方法包括如下步骤：

S1、对基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作。

由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属氧化物陶瓷涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属氧化物陶瓷涂层的附着力，因此需要进行除锈、除污和除油操作，具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。

另外，为了提高涂覆后的金属氧化物陶瓷涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以提高基体表面的粗糙度，从而有效提高附着力。

另外，作为表面处理操作，为进一步提高涂覆后的陶瓷涂层的附着力，还可在金属基体表面喷涂一层粘结强度高、在该涂层表面能生长出高结合强度氧化膜的金属合金涂层。

S2、对基体表面进行氧化处理。

通过氧化处理使基体表面生长出一薄层自生氧化膜；包括通过高温火焰以一定的速度扫过表面，对表面加热，使表面发生氧化而从表面长出一薄层氧化膜；或将处理好的基体表面在不发生二次污染的条件下，在空气中放置而发生自然氧化，长出自生氧化膜。

S3、将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流。

该高温焰流为高温等离子射流或者高温燃烧火焰，高温焰流将送入其中的金属氧化物陶瓷粉末快速地加热进入熔融状态，形成包含温度高于熔点的熔融粒子的高温焰流。

S4、在常温大气氛围下将高温焰流喷向基体表面。

此时的高温焰流已经包含了金属氧化物陶瓷粉末经高温熔融形成的熔融粒子，使该高温焰流飞行预设距离后喷在基体的表面，该预设距离可以选用40～150mm。选用这个距离的用处是使金属氧化物陶瓷粉末有一个有效的时间进入完全熔融状态。高温焰流中的熔融粒子到达基体表面时，熔融粒子在碰撞后铺展中与基体表面的氧化膜完全润湿形成致密涂层，其中由于浸润可以避免贯通空隙的产生。

从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种室温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法，对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；并在基本表面制备氧化膜；将金属氧化物陶瓷粉末送入高温热源形成高温熔融粒子；并在常温大气氛围下将携带有高温熔融粒子的高温焰流喷向基体表面，高温焰流中的熔融粒子到达基体表面时，熔融粒子在碰撞后铺展中与基体表面的氧化膜完全润湿形成致密涂层，能够避免贯通空隙的形成，腐蚀介质也就无法到达基体表面对基体造成腐蚀，从而能够使这种陶瓷涂层能够用作良好的耐腐蚀涂层。

上述实施例所产生高温熔融粒子的尺寸在5μm到150μm之间，所形成的陶瓷涂层的厚度为20μm到1000μm之间。

下面是本申请在具体实施时的详细介绍：

图2a与图2b所示为如下条件所形成的涂层：采用粒度介于5-100μm的造粒烧结K₂Ti₆O₁₃粉末，在常温大气氛围下进行等离子喷涂，电弧功率为30kW、喷涂距离为130mm，作为对比，图3为颗粒尺寸基本相同的YSZ粉末(采用空芯粉末，以利于完全熔化)制备的涂层断裂面结构。比较涂层的断面组织可以发现，K₂Ti₆O₁₃涂层组织致密，断裂面呈现与烧结块体类似的结构特征，而对比涂层YSZ呈现明显的层状结构特征，因层间结合有限，在断裂面上呈现出大量层间间隙。但采用本发明的方法制备的K₂Ti₆O₁₃涂层，则完全粒子层间充分结合的结构，也就是在常温大气氛下，采用本发明的方法可以制备致密的粒子充分结合的陶瓷涂层。

如图4a与图4b所示，为采用本发明的方法，采用粒度介于35-75μm的多角形Mg₃B₂O₆粉末(熔点为1360℃)，用大气等离子喷涂在电弧功率36kW与喷涂距离150mm的条件下制备得到的涂层。涂层断面组织与结构照片是采用扫描电镜拍摄，图4a中的涂层抛光断面呈现致密结构，粒子间结合充分，而采用断裂面进行观察显示，如图4b，涂层组织与致密烧结的块体结构相同。由于粒子结合充分，涂层内聚强度高。对低碳钢表面喷涂的试样进行电化学测试表面，涂层的贯通孔隙率非常低，涂层具有优越的耐腐蚀性能。

当采用粒度为35～80μm的YBa₂Cu₃O₇粉末(熔点约为1020℃)，用大气等离子喷涂在电弧功率32kW与喷涂距离80mm的条件下制备得到致密的涂层。涂层表现出优异的超电导性能，可用于制备超导器件涂层。

采用致密烧结的LiNbO₃(熔点：1275℃)粉末，粒度为25-60μm，用氧气-乙炔燃烧火焰，在微氧化焰的条件下，火焰功率20kW与喷涂距离80mm的条件下制备得到粒子间结合充分的致密涂层。测量表明涂层的孔隙率小于1.5％，满足溅射靶材的需要。

需要说明的是，对于本方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

实施例二

图5为本发明实施例提供的一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备系统的框图。

参照图5所示，本实施例提供的致密陶瓷涂层的制备系统是在常温大气氛围下利用高温等离子或高温火焰流在基体的表面涂覆相应的金属氧化物陶瓷涂层，具体的制备系统包括第一预处理设备10、第二预处理设备20、粉末输送设备30和热喷涂设备40。

第一预处理设备用于对基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作。

由于锈蚀、污垢和油污会对涂覆金属涂层造成不利干扰，具体来说是降低金属涂层的附着力，锈蚀还会在金属涂层下面成为锈蚀点，对涂覆后的金属涂层是一个锈蚀的诱发点，因此需要进行除锈、除污和除油操作，具体的操作时可以利用打磨设备打磨掉锈蚀，也可以用酸液除去锈蚀，对污垢和油污可以利用相应溶剂进行清洗操作。

另外，为了提高涂覆后的金属涂层的附着力，还可以利用喷砂设备对基体的表面进行喷砂作业，以降低该表面的光洁度，从而有效提高附着力。

第二预处理设备用于对基体表面处理使在表面生长出一薄层自生氧化膜；包括通过高温火焰以一定的速度扫过表面，对表面加热，使表面发生氧化而从表面长出一薄层氧化膜；或将处理好的基体表面在不发生二次污染的条件下，在空气中放置而发生自然氧化，长出自生氧化膜。

其次，作为表面处理操作，为进一步提高涂覆后的金属氧化物陶瓷涂层的附着力，还可在金属基体表面喷涂陶瓷之前，利用下述的粉末输送设备与喷涂设备喷涂一层粘结强度高、在该涂层表面能生长出高结合强度氧化膜的金属合金涂层。

粉末输送设备用于

将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流中，使金属氧化物陶瓷粉末进入该射流后快速地加热进入熔融状态，形成高温的熔融粒子。

热喷涂设备用于在大气氛围下将高温焰流喷向基体的表面。

此时的高温焰流已经包含了金属氧化物陶瓷粉末经高温熔融形成的熔融粒子，此时，使该高温焰流飞行预设距离后喷在基体表面上，该预设距离可以选用40～150mm。选用这个距离的用处是使金属氧化物陶瓷金粉末有一个有效的时间进入完全熔融状态。

本实施例提供了一种室温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备装置，用于对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；并在基本表面制备氧化膜；将金属氧化物陶瓷粉末送入高温热源形成高温熔融粒子；并在常温大气氛围下将携带有高温熔融粒子的高温焰流喷向基体表面，高温焰流中的高温熔融粒子到达基体表面时，熔融粒子在碰撞后铺展中与基体表面的氧化膜完全润湿形成致密涂层，能够避免贯通空隙的形成，腐蚀介质也就无法到达基体表面对基体造成腐蚀，从而能够使这种陶瓷涂层能够用作良好的耐腐蚀涂层。

对于装置实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种常温大气氛围下致密陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤：

对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

对所述基体表面进行氧化处理，形成基于所述基体表面的氧化而长出的氧化膜；

将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流中，以使所述金属氧化物陶瓷粉末在所述高温焰流的作用下形成熔融状态的熔融粒子；

在常温大气氛围下，将携带有所述熔融粒子的高温焰流喷向所述基体表面，并经过预设距离的飞行后到达所述基体表面，以使所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面形成充分化学结合，并沉积于所述基体表面上；其中，所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面的氧化膜完全润湿形成致密陶瓷涂层，能够避免贯通孔隙的形成，腐蚀介质也就无法到达所述基体表面对基体造成腐蚀，从而使得所述致密陶瓷涂层用作耐腐蚀涂层；

其中，所述氧化膜为通过氧化处理而使得所述基体的表面生长出一薄层自生氧化膜；

所述熔融粒子在快速过冷状态下，其熔体粘度随过冷温度的变化呈现弱的液体特征；

所述金属氧化物陶瓷粉末为熔点小于1450℃的K₂Ti₆O₁₃粉末、Mg₃B₂O₆粉末、YBa₂Cu₃O₇粉末、LiNbO₃粉末的氧化物陶瓷材料粉末中的一种。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高温焰流为高温等离子射流或高温燃烧火焰。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物陶瓷粉末的粒子为5～150μm范围的任意粒度范围。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的基体表面为原始基体表面或在所述原始基体表面上制备的金属合金粘结层。

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述金属合金粘结层为NiCrAl涂层、NiAl涂层或NiCrAlMo涂层。

6.一种常温大气氛围下大气氛围下致密陶瓷涂层的制备系统，其特征在于，所述制备系统用于执行权利要求1所述的制备方法，所述制备系统包括：

第一预处理设备，用于对待喷涂的基体的基体表面进行除锈、除污、除油和喷砂粗糙化操作；

第二预处理设备，用于对所述基体表面进行氧化处理，形成基于所述基体表面的氧化而长出的氧化膜；

粉末输送设备，用于将金属氧化物陶瓷粉末送入高温焰流，以使所述金属氧化物陶瓷粉末在高温焰流的作用下形成熔融状态的熔融粒子；

热喷涂设备，用于在大气氛围下，将携带有所述熔融粒子的高温焰流喷向所述基体表面，并经过预设距离的飞行后到达所述基体表面，以使所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面的形成充分化学结合，并沉积于所述基体表面上；其中，所述熔融粒子在碰撞所述基体表面后的铺展过程中与所述基体表面的氧化膜完全润湿形成致密陶瓷涂层，能够避免贯通孔隙的形成，腐蚀介质也就无法到达所述基体表面对基体造成腐蚀，从而使得所述致密陶瓷涂层用作耐腐蚀涂层；

其中，所述氧化膜为通过氧化处理而使得所述基体的表面生长出一薄层自生氧化膜；

所述熔融粒子在快速过冷状态下，其熔体粘度随过冷温度的变化呈现弱的液体特征；

所述金属氧化物陶瓷粉末为熔点小于1450℃的K₂Ti₆O₁₃粉末、Mg₃B₂O₆粉末、YBa₂Cu₃O₇粉末、LiNbO₃粉末的氧化物陶瓷材料粉末中的一种。

7.如权利要求6所述的制备系统，其特征在于，所述热喷涂设备为等离子喷涂设备或火焰喷涂设备。

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