CN109778096A - 一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料及其制备方法，属于热喷涂技术领域。本发明所述热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料以分解促进剂和韧性增强剂为原料经热喷涂制备得到，并在热喷涂过程中形成纳米的金属‑陶瓷复合涂层材料；其中分解促进剂的添加量为20~70重量份、韧性增强剂的添加量为30~80重量份。本发明制备的涂层成本低，制造工艺简单，操作过程简单，操作人员要求低，断裂韧性较好；实现了陶瓷涂层的纳米强化和金属掺杂增韧，大大拓宽了陶瓷复合涂层的使用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料及其制备方法，属于热喷涂陶瓷涂层材料领域。
背景技术
等离子喷涂陶瓷涂层具有高耐磨性、高耐热性和耐腐蚀性，广泛应用于航空航天和机械等领域，为金属基体提供保护；虽然陶瓷涂层材料具有许多优异的性能，但其韧性较差一直阻碍着其更广泛的应用。用简单的方法获得韧性好的陶瓷涂层是一个重要的问题。研究人员为解决这一问题做出了很大的努力，近年来取得了很大的进展。
传统的陶瓷涂层材料增韧的方法有：（1）通过向陶瓷中加入纤维，使陶瓷的弱相间分层，发生开裂后发生摩擦滑动，从而吸收能量，使材料表现出足够的强度和良好的韧性；该方法纤维的加入十分困难，操作工艺复杂，成品周期长，成品率较低。（2）通过陶瓷中加入金属，该方法利用金属的韧性在裂纹产生过程中吸收能量。该方法引入的金属与陶瓷之间存在明显的界面，该界面成为材料失效和裂纹扩展的优选区域。（3）制备纳米陶瓷涂层，通过纳米颗粒具有较多晶界的特性，实现陶瓷材料韧性的提升。该方法制备成本较高、增韧效果有限。
综上所述，传统生产高韧性陶瓷涂层材料的方法具有很多局限性，另外传统陶瓷涂层制备方法除了上述不足，随着各行业对陶瓷涂层材料性能要求的提升，单一的韧性增强方式已经无法满足现阶段的增韧需求。因此针对上述传统方法和分解促进剂的缺陷，需要一种低成本、工艺简单的方法来制备高性能、运用范围广的热喷涂陶瓷复合涂层。
发明内容
本发明要解决的问题是传统制备高韧性陶瓷涂层材料的制造工艺复杂、增韧方法单一等问题。
本发明的目的在于提供一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，所述热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料以分解促进剂和韧性增强剂为原料经热喷涂制备得到，并在热喷涂过程中形成纳米的金属-陶瓷复合涂层材料；其中分解促进剂的添加量为20~70重量份、韧性增强剂的添加量为30~80重量份；所述分解促进剂为Mn+1AXn，其中，n=1、2或3，M为Ti、V、Cr、Zr、Ni、Mo、Hf、Ta中的一种，A为Al、Si、P、S、In、Sn、Pd中的一种，X为C、N中的一种；所述韧性增强剂为Cu、Ni、Ag、Pd、Pt中的一种。
本发明的另一目的在于提供所述热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料的制备方法，能够快速简单的制备出高性能、运用范围广的热喷涂高断裂韧性的纳米复合金属-陶瓷涂层材料，具体步骤如下：
（1）称取分解促进剂和韧性增强剂，破碎后通过325目筛。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末混合均匀。
（3）将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理。
（4）将步骤（2）中得到的混合粉末送入喷涂设备送粉器内，在待喷涂基体表面进行涂层热喷涂，在热喷涂过程中形成纳米的金属-陶瓷复合涂层。
优选的，本发明所述热喷涂的条件为：喷涂距离10-12mm；喷涂功率40-60Kw；送粉电压10-13V；N2流量为2200-2600L/h。
本发明的有益效果为：本发明所述方法制备工艺简单、制备的陶瓷复合涂层材料具有纳米-微米结构、韧性金属等多种机制协同增韧，极大的增加了陶瓷复合涂层的韧性，从而提升其抗裂纹扩展能力，延长使用寿命，极大扩宽陶瓷涂层的使用范围。
附图说明
图1为实施例1中制备的纳米复合陶瓷涂层的SEM检测结果。
图2为实施例1中混合粉末和制备的纳米复合陶瓷涂层的XRD检测结果。
图3为实施例1中制备的纳米复合陶瓷涂层的EBSD检测结果。
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
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂50重量份，韧性增强剂50重量份制备得到，其中分解促进剂为Ti3AlC2，韧性增强剂为Cu。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取50g分解促进剂Ti3AlC2和50g韧性增强剂Cu，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离11mm；喷涂功率40Kw；送粉电压10V；N2流量为2200L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
图1为本实施例的得到纳米复合陶瓷涂层的SEM检测照片，涂层中存在分解区、扩散区和塑性金属（Cu）片层，形成纳米的结构，且纳米颗粒之间由韧性增强剂Cu形成空间网状结构；韧性增强剂Cu的空间网状结构的形成极大的增强了陶瓷复合涂层的韧性。通过图2本实施例中混合粉末和制备的纳米复合陶瓷涂层的XRD检测结果可知，混合后的粉末相没有发生变化（Ti3AlC2和Cu），制备的涂层主要包括：Al2TiO5、TiO2、Ti4O5、Al2O3、Al2TiO5、Cu和Cu(Al)。通过图3本实施例的得到纳米复合陶瓷涂层的EBSD检测结果可知：纳米复合陶瓷涂层由纳米颗粒构成（除部分500nm-8μm铜），纳米颗粒尺寸范围为10-100nm；该结构的形成主要是因为分解促进剂Mn+1AXn是由片层结构构成，且高温下易分解；在大气等离子束的作用下A熔点较低，容易从其中脱嵌，且为韧性增强剂进入分解促进剂颗粒内部提供通道，从而形成韧性增强剂的空间网状结构。
实施例2
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂20重量份，韧性增强剂80重量份制备得到，其中分解促进剂为Cr2SiN，韧性增强剂为Ni。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取20g分解促进剂Cr2SiN和80g韧性增强剂Ni，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离12mm；喷涂功率60Kw；送粉电压13V；N2流量为2600L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
实施例3
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂70重量份，韧性增强剂30重量份制备得到，其中分解促进剂为Hf4PN3，韧性增强剂为Ag。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取70g分解促进剂Hf4PN3和30g韧性增强剂Ag，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离10mm；喷涂功率53Kw；送粉电压13V；N2流量为2400L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
实施例4
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂70重量份，韧性增强剂30重量份制备得到，其中分解促进剂为Zr3InN2，韧性增强剂为Pd。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取70g分解促进剂Zr3InN2和30g韧性增强剂Pd，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离10mm；喷涂功率45Kw；送粉电压12V；N2流量为2300L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
实施例5
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂60重量份，韧性增强剂40重量份制备得到，其中分解促进剂为Zr3InN2，韧性增强剂为Pd。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取60g分解促进剂Ni2SnC和40g韧性增强剂Pd，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离11mm；喷涂功率48Kw；送粉电压12V；N2流量为2300L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
实施例6
一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，由分解促进剂70重量份，韧性增强剂30重量份制备得到，其中分解促进剂为Mo4SN3，韧性增强剂为Pt。
本实施例纳米复合陶瓷涂层的制备方法，具体步骤如下：
（1）称取70g分解促进剂Mo4SN3和30g韧性增强剂Pt，采用机械球磨法进行破碎，制成粉末，通过325目的机械振动筛得到对应粉末。
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末利用机械混粉的方法混合均匀，待用。
（3）将基体待喷涂表面进行常规喷砂粗化、清洁处理后，待用。
（4）设置等离子喷涂设备参数（喷涂距离11mm；喷涂功率54Kw；送粉电压12V；N2流量为2400L/h），将步骤（2）中得到混合粉末送入喷涂设备送粉器内，利用等离子喷涂设备在步骤（3）的预处理基体表面进行涂层喷涂，基体表面获得纳米复合陶瓷涂层。
通过SEM、 XRD、EBSD的检测实施例2~6制备得到的纳米复合陶瓷涂层具有和实施例1相似的结构。
表1所示是实施例1-6所得涂层与对应的传统热喷涂陶瓷复合涂层的断裂韧性指标测试的数据对比表，从表中可知，热喷涂纳米陶瓷复合涂层比传统热喷涂陶瓷复合涂层断裂韧性提高了近一倍；热喷涂纳米陶瓷复合涂层极大的提高了陶瓷复合涂层的韧性，从而提升其抗裂纹扩展能力，延长使用寿命，极大扩宽陶瓷涂层的使用范围。
表1
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 (3)
1.一种热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料，其特征在于：所述热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料以分解促进剂和韧性增强剂为原料经热喷涂制备得到，并在热喷涂过程中形成纳米的金属-陶瓷复合涂层材料；其中分解促进剂的添加量为20~70重量份、韧性增强剂的添加量为30~80重量份；
所述分解促进剂为Mn+1AXn，其中，n=1、2或3，M为Ti、V、Cr、Zr、Ni、Mo、Hf、Ta中的一种，A为Al、Si、P、S、In、Sn、Pd中的一种，X为C、N中的一种；
所述韧性增强剂为Cu、Ni、Ag、Pd、Pt中的一种。
2.权利要求1所述热喷涂纳米复合陶瓷涂层材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
（1）称取分解促进剂和韧性增强剂，破碎后通过325目筛；
（2）将步骤（1）中的分解促进剂粉末和韧性增强剂粉末混合均匀；
（3）将待喷涂基体表面进行喷砂粗糙处理和清洁处理；
（4）将步骤（2）中得到的混合粉末送入喷涂设备送粉器内，在待喷涂基体表面进行涂层热喷涂，在热喷涂过程中形成纳米的金属-陶瓷复合涂层。
3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：步骤（4）中热喷涂的条件为：喷涂距离10-12mm；喷涂功率40-60Kw；送粉电压10-13V；N2流量为2200-2600L/h。
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