CN110698190B - 单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的化学组成为Cr2‑δAlδO3，0.29≤δ≤1.00；优选地，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的厚度为100～700μm。

Description

单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。
背景技术
陶瓷涂层技术广泛应用于表面工程领域，是提高基底材料耐磨损、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等性能的重要途径。高承载(即高PV值＝载荷P×速度V，通常≥15MPa·m/s)条件下的摩擦磨损，常伴随高温、富氧、宽温域热冲击等复合苛刻工作环境，对陶瓷涂层服役可靠性及寿命带来极大的挑战。国外高承载耐磨陶瓷涂层部件对我国严格禁运，极大制约了我国航空航天事业的发展。
一般来说，氧化物、碳化物、氮化物和硼化物等均属于典型的耐磨陶瓷涂层材料。例如，在常见的氧化物耐磨陶瓷材料中，Al2O3(以α-Al2O3为例，其热导率为36W·m-1·K-1)的导热性能优于Cr2O3、ZrO2和TiO2。
烧结Al2O3块体陶瓷的优点是：高硬度、高强度、热稳定性好、抗氧化、高导热、α-Al2O3为主晶相，不足之处是塑韧性低；等离子体喷涂Al2O3涂层的优点是：高硬度、高强度、耐高温、抗氧化，不足之处是γ-Al2O3为主晶相、热导率低、塑韧性低。为了抑制Al2O3涂层的导温系数呈负温度系数特征，尤其在500℃以上涂层导热呈现衰减趋势，基于异质形核与部分固溶，设计并制备了Al2O3-Cr2O3复合涂层，强化相界面并细化晶粒，改善涂层层间界面结合，获得热导率初值高且400℃后呈现正温度系数特征复合涂层，实现了涂层导热、强韧与耐磨的同步优化。
然而，这里需要指出几点：①Al2O3-Cr2O3复合涂层是以机械混合法制备的粉体为原料，经等离子体喷涂获得的多相体系涂层(涂层中含有γ-Al2O3、α-Al2O3、Cr2O3)；②多相体系的特点会使得涂层成分和结构出现微区差异化，这种差异化对涂层苛刻工况下长寿命服役的可靠性和质量一致稳定性都带来一定的问题；③高温、高承载、富氧及热冲击工况下涂层长期微结构和性能的稳定，这需要通过涂层成分、结构、性能的均一化和稳定化来实现。为此，长寿命和高可靠的耐磨氧化物陶瓷涂层的研制亟待解决。
发明内容
面向苛刻服役环境下长寿命和高可靠的耐磨氧化物陶瓷涂层，现有技术还存在一些不足之处，针对上述这些问题，本发明的目的在于提供一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法。主要目的是使喷涂的涂层具有单一相组成、成分分布的均一化、晶体结构的精细化控制，并且同时实现涂层导热、强韧与耐磨的同步优化，以满足耐磨氧化物陶瓷涂层在高PV值苛刻工况下长寿命与高可靠服役要求。
一方面，本发明提供了一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的化学组成为Cr2-δAlδO3，0.29≤δ≤1.00；优选地，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的厚度为100～700μm。
在本公开中，成分与结构均一化的单相置换固溶体陶瓷涂层的组成为Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)。从晶体结构上来说，单相置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层与单相Cr2O3涂层具有相同的晶格点阵框架结构。涂层中的物相呈现出单相连续固溶体模式，成分均匀，结构一致性好，从而可保证涂层微区性能的一致性，将十分有利于涂层在苛刻工况下长寿命服役的可靠性和质量稳定性。
另一方面，本发明提供了一种上述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的制备方法，包括：
(1)将Al2O3粉末和Cr2O3粉末混合后在1700～1900℃下热处理实现连续固溶，再经粉碎后，得到可喷涂单相连续置换固溶体粉体；
(2)将所得可喷涂单相连续置换固溶体粉体经过等离子体球化处理后，再通过热喷涂涂覆在基材表面，得到所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层。
较佳的，所述Cr2O3粉末的物相为Cr2O3；所述Cr2O3粉末的粒度为纳米级、亚微米级、或微米级。
较佳的，所述Al2O3粉末的物相为α-Al2O3；所述Al2O3粉末的粒度为纳米级(20～100nm)、亚微米级(150nm～1μm)、或微米级(1～5μm)。其中，Al2O3粉末的物相为α-Al2O3，Cr2O3粉末的物相为Cr2O3，与α-Al2O3的晶体结构相同，属于三方晶系。α-Al2O3和Cr2O3具有良好的化学稳定性和力学性能，相同的晶体结构使得它们之间容易形成固溶体。
较佳的，以Al2O3粉末和Cr2O3粉末的质量之和计为100wt％，所述Al2O3粉末的质量分数范围为10％～40％，Cr2O3粉末的质量分数范围为60％～90％。
较佳的，所述热处理的气氛为惰性体和氧气；其中，氧气的分压在0.02MPa以上。具体操作方式，在热处理之前，将Al2O3粉末和Cr2O3粉末的混合粉体置于加热炉中，并在加热炉中首先通入惰性气体(如Ar气)，以驱赶炉内原来的空气，而后通入纯氧，使得O2在加热炉内的分压达到0.02MPa以上。
较佳的，所述可喷涂单相连续置换固溶体粉体的粒度在10μm～60μm之间。具体来说，在热处理完成后进行冷却，对冷却之后的单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)进行破碎成粉料(即、粉碎)，破碎粉料粒度达到60μm以下(可直接喷涂)或者5μm以下(需要进一步进行造粒)。
又，较佳地，当粉料破碎之后需要进行造粒，则配置成悬浮稳定浆料后进行喷雾造粒。本发明采用喷雾造粒法制备Cr2-δAlδO3单相连续固溶体粉体，该方法的优点是：喷雾干燥的操作是连续的、可控的，适用于热敏性和非热敏性物料的干燥，适用于水溶液和有机溶剂物料的干燥，原料液可以是溶液、浆料、乳浊液、糊状物等，具有非常大的灵活性、良好的粉体质量稳定性和较高的制粉效率，所制备的粉体成分均匀、物化性能好、球形度较佳。
较佳的，所述等离子体球化处理的工艺参数为：等离子气体氩气流量25～35slpm，等离子气体氢气流量3～5slpm，电流350～450A，功率20～30kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率5～10g/min，喷涂距离200～300mm。等离子体球化的目的是：使得Cr2-δAlδO3单相连续固溶体粉体表面层熔融致密化，消除粉体表面的棱角区域，获得较好的球形度，促进喷涂粉体的流动性，且不改变喷涂粉体的相组成。优选地，将等离子体球化处理后的可喷涂单相连续置换固溶体粉体进行过筛处理，使其粒度分布在10～45μm之间。
较佳的，所述热喷涂为等离子体喷涂；所述等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子气体氩气流量45～55slpm，等离子气体氢气流量7～10slpm，电流600～700A，功率45～50kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率30～40g/min，喷涂距离100～120mm。
较佳的，所述基材为金属基材、陶瓷基材、或石墨基材。优选的，在喷涂前，对基材进行清洗和喷砂处理。
较佳的，在热喷涂过程中，控制实际沉积温度在150～300℃之间。若是温度过高，涂层在喷涂过程中容易产生较多裂纹甚至在自然冷却条件下发生开裂或剥落现象，残余应力过大。若是温度较低，涂层中单片层(splat)之间界面结合不好，涂层孔隙率增大，硬度和结合强度下降，耐磨性能降低。
本发明具有的优点和有益效果：
(1)本发明通过单相连续置换固溶体粉体的制备，利用等离子体喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3陶瓷涂层，该涂层不同于以往的机械混合法粉体喷涂制备的Al2O3-Cr2O3复合涂层，前者是单相连续固溶体体系，而后者则是多相体系。本发明获得的单相置换固溶体Cr2-δAlδO3陶瓷涂层，有效抑制了多相涂层体系成分和结构的微区差异化，使喷涂涂层具有单一相组成、成分分布的均一化、晶体结构的精细化控制，有利于提高涂层苛刻工况下长寿命服役的可靠性和质量一致稳定性；
(2)本发明提供一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，同时实现涂层导热、强韧与耐磨的同步优化，以满足耐磨氧化物陶瓷涂层在高PV值苛刻工况下长寿命与高可靠服役要求。
附图说明
图1为高纯Al2O3粉末的XRD图谱；
图2为高纯Cr2O3粉末的XRD图谱；
图3为Al2O3和Cr2O3的二元平衡相图；
图4为单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)破碎之后再造粒团聚之后的粉体的SEM形貌；
图5为单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)破碎之后再造粒团聚之后的粉体的EDS能谱成分分析；
图6为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝1.00)的横截面SEM形貌；
图7为单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)破碎之后直接可用于喷涂的粉体的SEM形貌；
图8为单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)的晶体点阵结构示意图；
图9为粉体与涂层的XRD图谱对比图：(a)Cr2O3涂层；(b)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体；(c)单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.77)；
图10为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.77)的横截面SEM形貌(a)及对应的EDS能谱成分分析(b)；
图11为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.54)的TEM结构观察；
图12为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.29)的TEM结构观察；
图13为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.54)的横截面SEM形貌及对应的EDS能谱成分分析；
图14为所得涂层摩擦副进行摩擦磨损测试的安装图照片；
图15a为初始设定条件1.5Nm下单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.29)摩擦副的摩擦力矩曲线；
图15b为初始设定条件3.0Nm下单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.29)摩擦副的摩擦力矩曲线；
图15c为初始设定条件8.0Nm下单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.29)摩擦副的摩擦力矩曲线；
图15d为初始设定条件10.0Nm下单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝0.29)摩擦副的摩擦力矩曲线；
图16为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝1.00)摩擦副的摩擦系数曲线(第1个小时)；
图17为单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝1.00)摩擦副的摩擦系数曲线(第10个小时)
图18为对比例1中制备的Al2O3-Cr2O3复合涂层的XRD图谱(a)和横截面SEM形貌观察(b)，其中Al2O3粉末的质量分数为40％；
图19为在相同测试条件下单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层(Cr2-δAlδO3，δ＝1.00)(a)摩擦副和Al2O3-Cr2O3涂层(b)摩擦副的摩擦系数曲线对比图；
图20为对比例4所得涂层的XRD图谱；
图21为对比例5所得涂层的SEM形貌观察。
具体实施方式
以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
针对耐磨氧化物陶瓷涂层的长寿命和高可靠服役挑战，消除或抑制涂层成分和结构出现的微区差异化对涂层苛刻工况下长寿命服役的可靠性和质量一致稳定性带来的问题，本发明首次通过调控涂层成分、结构、性能的均一化和稳定化来实现涂层的微结构和性能的稳定。
在本发明一实施方式中，单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的组成为Cr2-δAlδO3(简称Cr2-δAlδO3陶瓷涂层)，其中δ＝0.29～1.00。所得涂层具有单一相组成、成分分布的均一化、晶体结构的精细化控制，并且同时实现涂层导热、强韧与耐磨的同步优化，以满足耐磨氧化物陶瓷涂层在高PV值苛刻工况下长寿命与高可靠服役要求。优选，Cr2-δAlδO3陶瓷涂层厚度可为100～700μm。以下示例性地说明本发明提供的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层得制备方法。
制备混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末(混合粉末或混合粉体)。其中Al2O3粉末的质量分数范围可为10％～40％，Cr2O3粉末的质量分数范围可为60％～90％，二者质量之和为100wt％。Al2O3粉末和Cr2O3粉末粒度可为纳米级(20-100nm)、或亚微米级(150nm-1μm)、或微米级(1-5μm)。进一步地，Al2O3粉末有许多同质异晶体，根据研究报道过的变体有10多种，即α、β、γ、δ、ζ、ξ、θ、η、Н、χ和ρ等。在这些变体中，α-Al2O3粉末具有最优的化学稳定性、最高的导热和力学性能。而且，α-Al2O3与Cr2O3具有相同的晶体结构，属于三方晶系。Al3+的离子半径为0.0535nm，Cr3+的离子半径为0.0615nm，两者的电荷数是一致的，对于Al3+取代Cr3+来说，离子半径偏差率为13％，以上分析表明，这些因素有利于形成连续置换固溶体。另外，为保证后续步骤形成单相连续置换固溶体的效果，Al2O3粉末和Cr2O3粉末的纯度应达到99.9％以上。
在可选的实施方式中，Al2O3粉末和Cr2O3粉末的混合方式可为超声搅拌混合、球磨混合等。作为一个示例，将Al2O3和Cr2O3粉末首先放入乙醇或去离子水中进行超声搅拌分散，而后进行湿法球磨，以确保Al2O3粉末和Cr2O3粉末混合均匀。作为一个详细的混合示例，包括：将Al2O3粉末和Cr2O3粉末放入乙醇或去离子水中进行超声搅拌分散，两种粉末的质量配比为：Al2O3粉末的质量分数范围为10％～40％，Cr2O3粉末的质量分数范围为60％～90％。溶剂添加量可为粉末质量的50％～150％。利用超声分散的“空化效应”，并结合机械搅拌或磁力搅拌，对Al2O3粉末和Cr2O3粉末在乙醇或去离子水溶剂中进行预分散。超声频率≥20KHz，功率密度≥0.3W/cm2，搅拌速率≥100rpm，超声搅拌分散时间≥2h。更优选的，超声搅拌分散后，再对Al2O3粉末和Cr2O3粉末的混合悬浮液进行湿法球磨混合。其中，湿法球磨时，采用氧化铝磨球(这样可避免其它材质磨球带来的污染)，优选的球料比为2:1～4:1。另外，还可以添加分散剂、粘结剂等。分散剂添加量可为粉末质量的0.2％～1.0％，粘结剂添加量可为粉末质量的0.5％～2.0％。作为分散剂，包括但不限于硅酸钠、偏硅酸钠、柠檬酸钠、腐植酸钠、聚丙烯酰胺、羟甲基纤维素、羟甲基纤维素钠中的一种或几种组合。作为粘结剂，包括但不限于聚乙烯醇、石蜡、甘油、木质素磺酸钠中的一种或几种组合。球磨混料时间4～8h，配制成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球。而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
制备单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)。具体来说，将混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末置于电弧炉内进行加热固溶处理(即热处理)，并保证固溶体的化学组成，形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3。在电弧炉内对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，热处理的目的是让Al2O3与Cr2O3充分固溶，其过程就是Al3+和Cr3+的互相置换取代。基于α-Al2O3和Cr2O3相同的晶体结构、Al3+和Cr3+的化合价相同、电负性一致、离子半径差＜15％等因素，Al2O3与Cr2O3可以形成无限置换固溶体。在这个固溶体中，Cr3+和Al3+占据O2-形成的八面体间隙。而要让Al3+和Cr3+能够互相置换取代，就必须给予其能量，让它们能够离开原先氧化物的晶体格点位置。为此，选择合适的热处理温度范围就显得十分重要。其中，热处理的温度可为1700～1900℃，是为了实现Cr2O3与Al2O3的连续固溶。低于1700℃时，不利于形成连续置换固溶体；高于1900℃时，成本费用将大幅增加，过高的温度可能会造成Al2O3与Cr2O3的直接分解，对形成固溶体亦不利。这里需要说明的是，热处理温度的选择还考虑了两个因素：①Al2O3和Cr2O3原料粉末粒度为纳米级或者亚微米级时，熔融温度会降低；②Al2O3和Cr2O3的固溶温度往往低于它们各自的熔点温度。热处理的时间可为12～48小时，保证固溶过程的顺利完成。
在可选的实施方式中，在热处理过程中，其热处理的气氛的选择也很重要。在加热炉中首先通入惰性气体(如Ar气)，以驱赶炉内原来的空气。由于固溶温度在1700～1900℃时，空气中的N2也会参与化学反应，生成氮化物，因而需要用惰性气体进行高温保护；其次，高温固溶体形成过程中容易出现缺氧反应，氧缺失会影响固溶体的化学组成和结构均匀稳定性，因而，还需通入纯氧，并保证氧分压达到0.02MPa以上，才能达到有效的补充，从而避免高温缺氧反应对固溶体化学组成和微结构的负面影响。经过合适的固溶处理温度、固溶处理时间、保护性气氛、必要的氧分压，进而形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3。
可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备。将单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围有两种选择：第一、粉料粒径范围可直接用于喷涂涂层；第二、粉料粒径范围不能直接进行喷涂，需要进行造粒团聚处理，从而获得适合喷涂的粉体。当破碎粉料粒径达到几十微米时，就可满足一般热喷涂粉体对粒度分布的要求。针对本发明的单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3粉体，粉料粒径在60μm以下时适合进行热喷涂(粉料粒径超过60μm时，在喷涂过程中可能出现熔融不充分，有生粉夹杂现象，影响涂层的致密度和结合强度)。但是，粉料粒度也需超过10μm，保证在喷涂过程中，送粉的顺利进行(太细的粉体流动性很差，而且容易出现堵塞喷枪枪口的现象)。同样地，也可以将单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3破碎成粉料粒度范围达到5μm以下，甚至达到亚微米或纳米级，不能直接进行喷涂，需要进行造粒团聚处理，从而获得适合喷涂的粉体。此时进行造粒团聚处理，具体步骤可为：首先利用湿法球磨混合均匀(可参考步骤(1)中相关描述过程)，配制成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球。然后进行机械搅拌，转速为40～100rpm，进行喷雾造粒，得到单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)粉体。优选地，选用离心式喷雾造粒。离心式喷雾造粒可选用雾化器转速为10000～15000rpm，进料泵转速为15～40rpm，进风温度为200～300℃，出风温度为90～120℃。
可喷涂单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理。对可喷涂单相连续置换固溶体粉体进行等离子体球化处理，获得具有一定粒径分布、表面致密、球形度佳、流动性好的粉体。以氩气和氢气作为等离子体气体，等离子体球化处理的具体工艺参数为：氩气流量25～35slpm，氢气流量3～5slpm，电流350～450A，功率20～30kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率5～10g/min，喷涂距离200～300mm。优选，将所得等离子体处理后的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)粉体送入等离子体焰流中心，将其直接喷射进入室温去离子水中。然后再把去离子水中的粉体，经过滤、烘干、过筛后，获得具有一定粒径分布、表面致密、球形度佳、流动性好的可喷涂粉体。其粒度尺寸分布范围为10～45μm，适合于进行热喷涂。等离子体球化的优点是：①只将热处理获得的单相连续置换固溶体粉体表面或亚表面熔融，消除粉体表面的棱角区域，获得较好的球形度，且不改变整个粉体颗粒自身的强度和相组成；②提高粉体颗粒表面层的致密度，促进粉体的流动性；③有利于改善沉积涂层的致密度和单片层(splat)之间的界面结合。
热喷涂制备Cr2-δAlδO3陶瓷涂层。采用热喷涂所得等离子体球化之后的Cr2-δAlδO3粉体沉积于基材表面，制备出单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层。作为基材，没有特别限定，包括但不限于金属或陶瓷或石墨。沉积前，基材可进行清洗和喷砂处理，除去油脂与吸附物，增大基材表面的粗糙度，以改善涂层与基材之间的界面结合，适于沉积。其中，热喷涂可为等离子体喷涂(陶瓷粉体熔点较高，以保证在喷涂过程中陶瓷粉体可以有效熔融，从而获得粉体熔滴在基材表面更好的铺展沉积特性，减少凝固片层之间的空隙和裂纹)。但应理解，也可以采用其它热喷涂方法例如超音速火焰喷涂、爆炸喷涂等。等离子体喷涂的工作气体可采用氩气和氢气。在一个示例中，等离子体喷涂参数为：等离子气体氩气流量45～55slpm，等离子气体氢气流量7～10slpm，电流600～700A，功率45～50kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率30～40g/min，喷涂距离100～120mm。喷涂态Cr2-δAlδO3陶瓷涂层厚度为100～700μm。
在本发明中，喷涂实际沉积温度控制在150～300℃。上述沉积温度主要是通过设置等离子体喷枪上自带冷却气和文丘里冷却气压力和流量、喷涂程序控制路径和停留等待时间、喷涂功率数值等来调控实际涂层沉积温度。主要目的是：①控制涂层内部的压应力水平，有效阻滞高PV值磨损工况的宽温域热冲击条件下的涂层中微裂纹的扩展，改善涂层长期使用服役可靠性；②避免过低的沉积温度影响单片层(splat)与基材以及单片层之间的界面结合；③适当的沉积温度有利于维持涂层结构的均匀性。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
实施例1
一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤。
(1)混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末制备
称取高纯Al2O3和Cr2O3粉末，其主晶相分别为α-Al2O3和Cr2O3(见图1和图2)，两种粉末的粒径分布范围分别是0.3～1μm和0.5～2μm，Al2O3粉末质量分数为40％，Cr2O3粉末质量分数为60％；
将Al2O3粉末和Cr2O3粉末放入乙醇中进行超声搅拌分散，乙醇溶剂添加量为粉末质量的150％。利用超声分散的“空化效应”，并结合机械搅拌，对Al2O3粉末和Cr2O3粉末在乙醇中进行预分散。超声频率为30KHz，功率密度为0.5W/cm2，搅拌速率为120rpm，超声搅拌分散时间为2h；
超声搅拌分散后，把Al2O3粉末和Cr2O3粉末的混合悬浮液倒入球磨罐内，采用氧化铝磨球(直径为3mm)，球料比为3:1。柠檬酸钠分散剂添加量为粉末质量的0.6％，聚乙烯醇粘结剂添加量为粉末质量的1.5％。球磨混料时间6h，配制成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球。而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
(2)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3的形成
在电弧炉内对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，因为α-Al2O3和Cr2O3相同的晶体结构、Al3+和Cr3+的化合价相同、电负性一致、离子半径差<15％等因素，Al2O3与Cr2O3可以形成无限置换固溶体(见图3)。热处理温度为1900℃，热处理时间为12小时，保证置换固溶过程的顺利完成；
在高温固溶处理过程中，在加热炉中首先通入氩气，氩气流量为50slpm，通入时间为0.5小时，而后再通入纯氧，氧气流量为13slpm，这样即可避免原来空气中的N2在高温下与固溶体反应，又可避免高温缺氧反应对固溶体化学组成和微结构的负面影响，最终形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)。
(3)可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备
对制得的单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围是1～5μm，而后进行喷雾造粒团聚处理，具体步骤为：把Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉料置于球磨罐内，采用氧化铝磨球(直径为3mm)，球料比为4:1，羟甲基纤维素分散剂添加量为粉末质量的0.8％，聚乙烯醇粘结剂添加量为粉末质量的1.5％，去离子水添加量为粉末质量的120％。以上各种原料经球磨混合48h后配置成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球，再进行机械搅拌，转速为60rpm，进行离心式喷雾造粒。喷雾造粒参数为：雾化器转速为13000rpm，进料泵转速为25rpm，进风温度为240℃，出风温度为120℃，得到喷雾造粒Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体(见图4)。对该粉体进行能谱分析，结果表明：粉体中含有Cr、Al、O三种元素，Cr:Al＝1.012(原子百分比)，符合设计固溶体的化学组成(见图5)。
(4)单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理
对喷雾造粒获得的Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)团聚粉体进行等离子体球化处理。以氩气和氢气作为等离子体气体，具体工艺参数为：氩气流量30slpm，氢气流量3slpm，电流380A，功率23kW，送粉载气氩气流量4slpm，送粉速率6g/min，喷涂距离260mm。Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体送入等离子体焰流中心，喷射进入室温去离子水中。把去离子水中Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体，用滤网过滤出来，而后放入烘箱中进行烘干处理，温度为120℃，烘干时间4h。烘干之后的Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体，再经过300目和800目的筛网分别进行过筛，获得粒度尺寸分布范围为10～45μm，适合于进行热喷涂。
(5)热喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层
采用等离子体喷涂将步骤(4)制得的单相连续置换固溶体粉体沉积于已清洗和喷砂处理的不锈钢基材表面，喷涂工艺参数为：等离子气体氩气流量49slpm，等离子气体氢气流量9slpm，电流660A，功率47kW，送粉载气氩气流量3.5slpm，送粉速率35g/min，喷涂距离110mm。喷涂态Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)陶瓷涂层厚度为320μm(见图6)。从图6中可以看出：涂层致密度高、气孔率低、截面形貌呈现出单一相组成。此外，喷涂实际沉积温度控制在200±15℃。
实施例2
一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤。
(1)混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末制备
称取高纯Al2O3和Cr2O3粉末，其主晶相分别为α-Al2O3和Cr2O3，两种粉末的粒径分布范围分别是0.06～0.2μm和0.08～0.3μm，Al2O3粉末质量分数为30％，Cr2O3粉末质量分数为70％；
将Al2O3粉末和Cr2O3粉末放入乙醇中进行超声搅拌分散，乙醇溶剂添加量为粉末质量的150％。利用超声分散的“空化效应”，并结合机械搅拌，对Al2O3粉末和Cr2O3粉末在乙醇中进行预分散。超声频率为35KHz，功率密度为0.6W/cm2，搅拌速率为150rpm，超声搅拌分散时间为4h；
超声搅拌分散后，把Al2O3粉末和Cr2O3粉末的混合悬浮液倒入球磨罐内，采用氧化铝磨球(直径为3mm)，球料比为4:1。柠檬酸钠分散剂添加量为粉末质量的1.0％，聚乙烯醇粘结剂添加量为粉末质量的1.8％。球磨混料时间8h，配制成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球。而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
(2)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3的形成
利用电弧炉对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，方法与实施例1相同，不同之处在于：热处理温度为1850℃，热处理时间为24小时，最终形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)。
(3)可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备
对制得的单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围是5～35μm(见图7)。这样获得的单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体可以直接用于喷涂，不需要进行喷雾造粒。在这个固溶体中，Cr3+和Al3+占据O2-形成的八面体间隙，如图8所示。也就是说，Al3+与Cr3+之间的置换，并不改变整个Cr2O3晶体框架结构。图9中显示了Cr2O3涂层和单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体的XRD图谱，可以看出，两者图谱的谱线形状高度相似，也印证了获得的连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体具有单一相组成。Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体的XRD图谱相比于Cr2O3涂层的XRD图谱，是向右偏移一段距离。根据布拉格衍射方程2dsinθ＝nλ，向右偏移就是sinθ数值变大，那么晶面间距d值减小。Cr3+的离子半径大于Al3+的离子半径，所以，当Al2O3固溶进入Cr2O3晶格中时，晶面间距会减小。
(4)单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理
对获得的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)熔融破碎粉体进行等离子体球化处理。以氩气和氢气作为等离子体气体，具体工艺参数为：氩气流量27slpm，氢气流量4slpm，电流400A，功率25kW，送粉载气氩气流量3.5slpm，送粉速率8g/min，喷涂距离280mm。Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体送入等离子体焰流中心，喷射进入室温去离子水中；
把去离子水中Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体，用滤网过滤出来，而后放入烘箱中进行烘干处理，温度为200℃，烘干时间2h。烘干之后的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)粉体，再经过400目和800目的筛网分别进行过筛，获得粒度尺寸分布范围为10～35μm，适合于进行热喷涂。
(5)热喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层
采用等离子体喷涂将步骤(4)制得的单相连续置换固溶体粉体沉积于已清洗和喷砂处理的不锈钢基材表面，喷涂工艺参数为：等离子气体氩气流量52slpm，等离子气体氢气流量7slpm，电流630A，功率45kW，送粉载气氩气流量4slpm，送粉速率40g/min，喷涂距离120mm。喷涂态Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)陶瓷涂层厚度为240μm。此外，喷涂实际沉积温度控制在220±20℃。图9显示了单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)涂层的XRD图谱，其谱线和Cr2O3涂层XRD图谱谱线形状高度相似，说明获得了单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.77)涂层。进一步地，图10显示的涂层截面SEM形貌表明：涂层确实为单一相组成特征、致密度高、气孔率低。相应选区EDS能谱分析结果为：涂层中含有Cr、Al、O三种元素，Cr:Al＝1.601(原子百分比)，符合设计固溶体的化学组成。
实施例3
一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤。
(1)混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末制备
称取高纯Al2O3和Cr2O3粉末，其主晶相、粉末粒度范围均与实施例1相同，不同之处在于：Al2O3粉末质量分数为20％，Cr2O3粉末质量分数为80％；
超声搅拌分散与球磨混合过程与实施例1相同，而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
(2)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3的形成
利用电弧炉对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，方法与实施例1相同，不同之处在于：热处理温度为1800℃，热处理时间为36小时，最终形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)。
(3)可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备
对制得的单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围是1～5μm，而后进行喷雾造粒团聚处理，具体步骤为：把Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)粉料置于球磨罐内，采用氧化铝磨球(直径为3mm)，球料比为3:1，羟甲基纤维素分散剂添加量为粉末质量的0.7％，聚乙烯醇粘结剂添加量为粉末质量的1.6％，去离子水添加量为粉末质量的150％。以上各种原料经球磨混合48h后配置成悬浮稳定浆料，过筛除去磨球，再进行机械搅拌，转速为80rpm，进行离心式喷雾造粒。喷雾造粒参数为：雾化器转速为14000rpm，进料泵转速为30rpm，进风温度为260℃，出风温度为115℃，得到喷雾造粒Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)粉体。
(4)单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理
对喷雾造粒获得的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)团聚粉体进行等离子体球化处理。等离子体球化处理的方法与实施例1相同。经过滤、烘干、过筛后，获得粒度尺寸分布范围为10～45μm，适合于进行热喷涂。
(5)热喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层
采用等离子体喷涂将步骤(4)制得的单相连续置换固溶体粉体沉积于已清洗和喷砂处理的高强度石墨基材表面，喷涂工艺参数为：等离子气体氩气流量48slpm，等离子气体氢气流量10slpm，电流680A，功率49kW，送粉载气氩气流量3slpm，送粉速率30g/min，喷涂距离100mm。喷涂态Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)陶瓷涂层厚度为480μm。此外，喷涂实际沉积温度控制在240±30℃。图11是单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)涂层的TEM结构观察。涂层结构中有很多均匀、细小的球状晶粒，体现出晶体结构的精细化调控。图13显示了单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.54)涂层的横截面SEM形貌及对应的EDS能谱成分分析。SEM形貌表明了该涂层的结构致密、均一相特征；EDS元素能谱分析涂层5个区域的Cr和Al原子百分数比分别为：2.678、2.683、2.689、2.696、2.704。从能谱分析结果可以看出，涂层成分分布均匀一致。
实施例4
一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤。
(1)混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末制备
称取高纯Al2O3和Cr2O3粉末，其主晶相、粉末粒度范围均与实施例1相同，不同之处在于：Al2O3粉末质量分数为10％，Cr2O3粉末质量分数为90％。
超声搅拌分散与球磨混合过程与实施例1相同，而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
(2)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3的形成
利用电弧炉对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，方法与实施例1相同，不同之处在于热处理温度为1700℃，热处理时间为48小时，最终形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)。
(3)可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备
对制得的单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围是0.5～2μm，而后进行喷雾造粒团聚处理，具体步骤与实施例1相同，最终得到喷雾造粒Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)粉体。
(4)单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理
对喷雾造粒获得的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)团聚粉体进行等离子体球化处理。等离子体球化处理的方法与实施例1相同。经过滤、烘干、过筛后，获得粒度尺寸分布范围为10～45μm，适合于进行热喷涂。
(5)热喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层
采用等离子体喷涂将步骤(4)制得的单相连续置换固溶体粉体沉积于已清洗和喷砂处理的高强度石墨基材表面，喷涂工艺参数为：等离子气体氩气流量50slpm，等离子气体氢气流量8slpm，电流640A，功率48kW，送粉载气氩气流量3.5slpm，送粉速率34g/min，喷涂距离115mm。喷涂态Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)陶瓷涂层厚度为620μm。此外，喷涂实际沉积温度控制在195±25℃。图12是单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)涂层的TEM结构观察。从TEM照片可以看出，涂层具有十分精细的微结构，这对涂层成分的均一分布、导热及力学性能改善都有益处，可提高涂层的摩擦磨损性能。为了进一步验证上述判断，对Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)涂层进行摩擦磨损性能测试，配对摩擦副材料为铜合金，试验装配图如图14所示。在初始额定力矩为1.5Nm、3.0Nm、8.0Nm、10.0Nm的条件下，各自进行摩擦磨损试验，转速为10rpm，每5分钟正反转交替一次，可以看出：在不同的初始额定力矩条件下，涂层摩擦副显示出十分稳定的摩擦系数(见图15a-15d)，从而反映了Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29)涂层成分、结构与性能的均一化和稳定性。
实施例5
一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法，该方法包括以下步骤。
(1)混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末制备
称取高纯Al2O3和Cr2O3粉末，其主晶相、粉末粒度范围、两种粉体各自的质量百分数均与实施例1相同；
超声搅拌分散与球磨混合过程与实施例1相同，而后，经过滤、烘干、碾碎后获得混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末。
(2)单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3的形成
利用电弧炉对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理，方法与实施例1相同，不同之处在于：热处理温度为1750℃，热处理时间为40小时，最终形成单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)。
(3)可喷涂单相连续置换固溶体粉体的制备
对制得的单相连续置换固溶体首先进行冷却到室温，然后将其破碎成粉料，破碎粉料粒径范围是10～60μm。这样获得的单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体可以直接用于喷涂，不需要进行喷雾造粒。
(4)单相连续置换固溶体粉体的等离子体球化处理
对熔融破碎获得的Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)粉体进行等离子体球化处理。等离子体球化处理的方法与实施例1相同。经过滤、烘干、过筛后，获得粒度尺寸分布范围为10～45μm，适合于进行热喷涂。
(5)热喷涂获得单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3涂层
采用等离子体喷涂将步骤(4)制得的单相连续置换固溶体粉体沉积于已清洗和喷砂处理的不锈钢基材表面，喷涂工艺参数为：等离子气体氩气流量46slpm，等离子气体氢气流量10slpm，电流690A，功率48kW，送粉载气氩气流量3slpm，送粉速率36g/min，喷涂距离105mm。喷涂态Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)陶瓷涂层厚度为270μm。此外，喷涂实际沉积温度控制在210±15℃。仍以铜合金作为配对摩擦副材料，考察Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)陶瓷涂层的摩擦磨损性能。试验装配图见图14。图16是Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)涂层摩擦副的摩擦系数曲线(不同时间阶段)。摩擦试验过程为：摩擦转速为2rpm，每5分钟正反转交替一次，载荷2000N，每次摩擦运转1小时后，暂停15分钟，连续进行10次摩擦试验。从图16可以看出，第1个小时和第10个小时，摩擦系数均非常稳定。这反映出Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)涂层成分、结构、性能的均一化和稳定性良好。
对比例1
为了充分说明本发明的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层及其制备方法的优越性，还制备了Al2O3-Cr2O3复合涂层作对比例。Al2O3-Cr2O3复合涂层的制备方法是：将熔融破碎的Al2O3和Cr2O3粉料进行机械混合，两种粉料粒度范围分别是10～30μm和15～40μm；Al2O3和Cr2O3粉料的主晶相分别是α-Al2O3和Cr2O3；机械混合复合粉料中，Al2O3和Cr2O3粉料的质量分数分别是40％和60％；不经过热处理，直接对机械混合粉料进行等离子体球化处理，方法与实施例1相同；利用等离子体喷涂将机械混合粉料沉积于已清洗和喷砂处理的不锈钢基材表面，喷涂工艺参数与实施例1相同，沉积生成Al2O3-Cr2O3复合涂层。图17是Al2O3-Cr2O3涂层的XRD图谱和横截面SEM形貌观察(其中Al2O3粉末的质量分数为40％)。从XRD图谱可以看出，Al2O3-Cr2O3复合涂层中含有α-Al2O3、γ-Al2O3、Cr2O3三种物相。从涂层截面形貌可以看出，Al2O3-Cr2O3复合涂层有明显的两种颜色的相结构分布特征(其中，颜色深的相是α-Al2O3或γ-Al2O3，颜色浅的相是Cr2O3)。进一步地，考察对比Al2O3-Cr2O3复合涂层与单相连续置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)涂层的摩擦磨损性能。上述两种涂层分别与铜合金配对进行摩擦磨损试验，可以看出，与Al2O3-Cr2O3复合涂层/铜合金对比，Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)涂层/铜合金显示出更稳定的摩擦系数(见图18)，这得益于Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)涂层成分、结构、性能的均匀性与稳定性更好。
对比例2
按照实施例1的制备方法获得Cr2-δAlδO3陶瓷涂层，不同之处在于：Al2O3的质量分数为6％。这样可形成单相置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.17)涂层。因为Al2O3的质量分数偏小，因而固溶量较小，固溶强化效果较弱，与单一Cr2O3涂层相比，Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.17)涂层的导热与力学性能稍有增加(后面列表说明)，改善效果未达到设计目的。
对比例3
按照实施例1的制备方法获得Cr2-δAlδO3陶瓷涂层，不同之处在于：Al2O3的质量分数为60％。这样可形成单相置换固溶体Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.38)涂层。这里因为Al2O3的质量分数偏大，会带来三个新问题：①Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.38)涂层的硬度低于单一Cr2O3涂层的硬度。②随着环境温度上升Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.38)涂层的导温系数呈现出负温度系数特征，而本发明的Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)涂层的导温系数则呈现出正温度系数特征。③Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.38)涂层的室温热导率初值低于Cr2-δAlδO3(其中δ＝0.29～1.00)涂层的室温热导率初值(后面列表说明)。在苛刻磨损工况下，涂层具有较高的热导率初值以及随环境温度上升的热导率的正温度系数特征，对涂层耐磨服役的可靠性和延长使用寿命大有益处。
对比例4
按照实施例1的制备方法获得置换固溶体陶瓷涂层，不同之处在于：利用电弧炉对混合均匀的Al2O3/Cr2O3粉末进行高温加热固溶处理时，固溶处理温度为1500℃，固溶处理时间为50h，获得的粉体及涂层中还出现α-Al2O3、γ-Al2O3、Cr2O3相(参见图20)，并未有效消除或抑制多相体系带来的涂层成分与结构微区差异化。
对比例5
按照实施例1的制备方法获得Cr2-δAlδO3(其中δ＝1.00)陶瓷涂层，不同之处在于：进行等离子体喷涂制备时，实际喷涂沉积温度达到360±15℃，获得的涂层表面出现开裂现象(参见图21)。
最后对上述代表性实施例1-5和对比例1-3所得涂层进行性能对比，结果详见下表1：
Figure BDA0002231515050000171
从显微硬度、抗折强度、断裂韧性、热导率四个指标来看，本发明的实施例涂层具有比对比例涂层更好的力学和导热性能，预示着具有更好的高PV值工况下耐磨损性能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的主旨和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的化学组成为Cr2-δAlδO3，0.29≤δ≤1.00；所述成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的制备方法包括：
（1）将Al2O3粉末和Cr2O3粉末混合后在1700～1900℃下热处理12～48小时实现连续固溶，再经粉碎后，得到可喷涂单相连续置换固溶体粉体；
（2）将所得可喷涂单相连续置换固溶体粉体经过等离子体球化处理后，再通过热喷涂涂覆在基材表面并控制实际沉积温度在150～300℃之间，得到所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层。
2.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层的厚度为100～700μm。
3.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述Al2O3粉末的物相为α-Al2O3；所述Al2O3粉末的粒度为纳米级、亚微米级、或微米级；所述Cr2O3粉末的物相为Cr2O3；所述Cr2O3粉末的粒度为纳米级、亚微米级、或微米级。
4.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，以Al2O3粉末和Cr2O3粉末的质量之和计为100wt%，所述Al2O3粉末的质量分数范围为10%～40%，Cr2O3粉末的质量分数范围为60%～90%。
5.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述热处理的气氛为惰性气体和氧气；其中，氧气的分压在0.02MPa以上。
6.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述可喷涂单相连续置换固溶体粉体的粒度在10μm～60μm之间。
7.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述等离子体球化处理的工艺参数为：等离子气体氩气流量25～35slpm，等离子气体氢气流量3～5slpm，电流350～450A，功率20～30kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率5～10g/min，喷涂距离200～300mm。
8.根据权利要求7所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，将等离子体球化处理后的可喷涂单相连续置换固溶体粉体进行过筛处理，使其粒度分布在10～45μm之间。
9.根据权利要求1所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述热喷涂为等离子体喷涂；所述等离子体喷涂的工艺参数包括：等离子气体氩气流量45～55slpm，等离子气体氢气流量7～10slpm，电流600～700A，功率45～50kW，送粉载气氩气流量3～4slpm，送粉速率30～40g/min，喷涂距离100～120mm。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的成分与结构均一化的单相置换固溶体氧化物陶瓷涂层，其特征在于，所述基材为金属基材、陶瓷基材、或石墨基材。
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