CN1296314C - 热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

选用在高温条件下性能稳定的Cr₂O₃和NiO为主要成分，再掺杂TiO₂，Nb₂O₅，TiN和TiB₂或者Fe₂O₃和MnO₂，或者还掺杂SiO₂和ZrO₂成分配比混合固体粉末；将混合固体粉末与粘接剂混合，加入净水，调配成料浆；然后采用喷雾干燥工艺制成团聚体粉末；再将团聚粉末采用等离子球化或烧结致密化处理，制成镍铬尖晶石型红外辐射粉末材料。该尖晶石红外辐射粉末材料是一种具有热辐射率0.89～0.93的多组分复合涂层粉末材料。采用等离子喷涂、氧乙炔火焰喷涂或燃气爆炸喷涂技术，将其熔融喷射到基体表面形成牢固的机械结合涂层，涂层厚度可控。在500～700℃温度范围内，涂层化学性能稳定，抗热震能力强，长期应用热辐射率衰减缓慢。

Description

热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于热喷涂的表面工程材料及其制备方法，特别涉及用于等离子喷涂或火焰喷涂工艺的团聚型镍铬尖晶石红外辐射陶瓷粉末材料及其制备方法。

背景技术

在高温热辐射率涂层材料的研究方面，最引人注目和重视的可以说是陶瓷红外辐射材料，并且已取得许多进展和成果。近年来，国内外红外技术的研究与应用发展很快，主要表现为红外辐射与吸收机理的研究与深化，以及红外技术应用范围的不断扩大。在热辐射材料研究方面，存在不同的组分配比材料，如：某些矿物原料与过渡族金属氧化物的复合材料，Al₂O₃+20％～100％TiO₂系列涂层材料，TiO₂+ZrO₂+Nb₂O₅系列材料等等；由于上述大部分材料在复合过程中未形成新的稳定晶型结构，在室温～350℃低温范围内应用性能基本保持不变，在高温中则因不稳定结构发生晶型转变而使材料的热辐射率下降。因此，稳定的尖晶石型结构陶瓷红外辐射材料成为目前研究的热点。尖晶石型结构由[AO₄]四面体和[BO₆]八面体连接而成，分为正尖晶石型结构、反尖晶石型结构和混合尖晶石型结构。研究表明，反尖晶石类矿物中，八面体空隙被Fe、Co、Ni占据的尖晶石矿物如FeFe₂O₄、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄有较高的辐射率，混合型尖晶石如CuFe₂O₄、MnFe₂O₄有很高的辐射率。

发明内容

本发明的目的是提供一种热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末及其制备方法。

由于陶瓷涂层具有优良的化学稳定性和高的蒸汽压，本发明重点研制以纳微米过渡族金属氧化物等材料掺杂AB₂O₄(如：NiCr₂O₄ CoFe₂O₄、NiFe₂O₄、CuFe₂O₄、MnFe₂O₄)稳定的尖晶石结构为基的陶瓷涂层材料，通过复合制粉工艺技术的控制和调整，在粉末材料以及涂层中形成化合物内大量的氧、氮、碳、硼等缺位造成的电子—空穴对富集，从而获得高温中热辐射高、性能稳定、服役期长的涂层材料结构，该材料可采用等离子喷涂技术在固体材料表面制备法向全热辐射率高的均匀涂层。

达到本发明目的的技术方案是：

一种热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末，由下列成分按质量百分比制成，

NiO       13％～35％，

Cr₂O₃   38％～65％，

TiO₂     4％～8％，

Nb₂O₅          4％～8％，

TiN 3～5％和TiB₂ 3～5％，或者Fe₂O₃ 6％和MnO₂ 5％，

SiO₂            0～2％，

ZrO₂            0～5％，

各成分质量百分数之和为100％。

一种制备所述的热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末的方法，其制备步骤为：

第1、配料：将下述纳微米粉末按质量百分比配料，13％～35％NiO，38％～65％Cr₂O₃4％～8％TiO₂，4％～8％Nb₂O₅，3～5％o和3～5％TiB₂或者6％Fe₂O₃和5％MnO₂，0～2％的SiO₂和0～5％ZrO₂配成各成分质量百分数之和为100％的混合固体料；

第2、制浆：将步骤1配好的混合固体料与粘接剂按质量95％～98％∶2％～5％的配比混合，加入混合料质量0.4～0.6倍的净水，调配成料浆，所述的粘接剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素及聚苯乙烯中的一种或两种以上的混合物；

第3、雾化干燥：将步骤2所得到的料浆在喷雾干燥塔内雾化干燥，干燥塔温度控制在110～300℃范围内，制成团聚粉末；

第4、高温烧结：将步骤3所得到的团聚粉末置于烧结炉中烧结，温度为1100～1300℃，升温速率为3℃/min，保温时间为10～30分钟，制成含镍铬尖晶石结构的粉末；

第5、致密化：将步骤4所得到的粉末在保温时间内从烧结炉中取出，随后倒入水中淬冷成型，然后将成型粉粒烘干，即得产品。

所述的雾化干燥是用离心雾化喷嘴将料浆喷入干燥塔中干燥，其离心雾化器的转速为800～20000r/min。

所述的雾化干燥是用干燥压缩空气为载体，采用二流式喷嘴将浆料喷入干燥塔内干燥。

本发明的特点是：

1、喷雾干燥造粒过程中所加的粘接剂，在后续的造粒过程中，在300℃以下就会全部烧掉或挥发掉，不会成为热喷涂涂层中的杂质。

2、整个制备工艺流程少，设备简单，工艺参数易于控制，适合于连续化大规模生产。

3、制备团聚粉末成本相对较低，易于推广。

本发明制得的尖晶石红外辐射粉末材料，是一种具有热辐射率0.89～0.93的多组分复合涂层粉末材料。采用等离子喷涂、氧乙炔火焰喷涂或燃气爆炸喷涂技术将其熔融喷射到基体表面形成牢固的机械结合涂层，涂层厚度可控。在500～700℃温度范围内，涂层化学性能稳定，抗热震能力强，长期应用热辐射率衰减缓慢。研究和应用表明：热喷涂制备高热辐射陶瓷涂层方法，具有工艺相对简单，涂层性价比较低，涂层性能稳定等优点。该涂层可用于工业炉窑、烘箱的红外辐射节能涂层以及作为高真空环境中发热器件的散热涂层。

本发明的尖晶石型红外辐射团聚粉末主要利用其热辐射率高、高温稳定性好的特点，应用于等离子喷涂制备高温热辐射涂层，根据涂层的要求不同，可制备成实心和空心颗粒形状的团聚粉末。

用本发明的涂层材料制备的涂层可长期使用，适合于大规模工业化生产。

具体实施方式

实施例1：

配2千克粉末材料，其中含65％Cr₂O₃、13％NiO、4％Nb₂O₅、5％TiB₂、8％TiO₂、2％SiO₂和3％TiN，加入0.05千克的聚乙烯醇粘接剂，充分混合后，再加入0.8千克的净水搅拌成均匀的悬浮料浆待用。

用干燥纯净的压缩空气作携带气体，气体压力控制在0.8MPa，采取二流式喷嘴将料浆喷入干燥塔内，雾化的料浆微粒依靠自身的表面张力收缩成团聚实心球形，在的热风中干燥，干燥塔加热器的加热温度控制在170±20℃之间，温度的高低调节以粉末充分干燥为限。随后通过抽风机将干燥的团聚粉末抽入旋风分离器内收集。

将制得的团聚粉末装入坩埚，在厢式热处理炉内加热到1100℃，保温30分钟后，从烧结炉中取出，倒入水中淬冷成型，然后将成型粉粒烘干，即得产品。烧结后的粉末有效成分的含量大于99.9％，残存添加物杂质含量小于0.1％。用霍尔流量计测定粉末的松装密度和流动性，扫描电镜测定粉末的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，采用等离子喷涂制备涂层红外辐射性能的检测。测试结果列于表1。

            表1    实施例1得到的镍铬尖晶石材料的测试数据

粉末形貌	松装密度g/cm3	流动性S/50g	涂层法向全辐射率
				致密的空心球形	1.7	59	0.89

实施例2：

配1千克粉末材料，其中含43％Cr₂O₃、35％NiO、6％Fe₂O₃、5％MnO₂、4％TiO₂和7％Nb₂O₅，加入糊精0.01千克、聚苯乙烯和聚乙烯醇粘接剂各0.02千克，充分混合配成固体混合料，再加入0.4千克的净水搅拌成均匀的悬浮料浆待用。

用离心雾化喷嘴将料浆喷入干燥塔内，离心雾化器的转速为800～2000r/min，雾化的料浆微粒依靠自身的表面张力收缩成团聚实心球形，在的热风中干燥，干燥塔加热器的加热温度控制在200±20℃之间，温度的高低调节以粉末充分干燥为限。随后通过抽风机将干燥的团聚粉末抽入旋风分离器内收集。

将制得的团聚粉末装入坩埚，在厢式热处理炉内加热到1300℃烧结，保温10分钟后，从烧结炉中取出，倒入水中淬冷成型，然后将成型粉粒烘干，即得产品。烧结后的粉末有效成分的含量大于99.9％，残存添加物杂质含量小于0.1％。用霍尔流量计测定粉末的松装密度和流动性，扫描电镜测定粉末的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，采用等离子喷涂制备涂层红外辐射性能的检测，测试结果列于表2。

          表2    实施例2得到的团聚形镍铬尖晶石材料的测试数据

粉末形貌	松装密度g/cm3	流动性S/50g	涂层法向全辐射率
				致密的实心球形	2.6	31	0.866

实施例3：

配2千克粉末材料，其中含38％Cr₂O₃、34％NiO、8％Nb₂O₅、3％TiB₂、4％ZrO₂、5％TiO₂和8％TiN，加入羧甲基纤维素和聚乙烯醇粘接剂各0.02千克，充分混合配成固体混合料，再加入0.8千克的净水搅拌成均匀的悬浮料浆待用。

用干燥纯净的压缩空气作携带气体，气体压力控制在0.8MPa，采取二流式喷嘴将料浆喷入干燥塔内，雾化的料浆依靠自身的表面张力收缩成团聚空心球形，在的热风中干燥，干燥塔加热器的加热温度控制在260±20℃之间，温度的高低调节以粉末充分干燥为限。随后通过抽风机将干燥的团聚粉末抽入旋风分离器内收集。

将团聚粉末采用等离子球化技术进行二次造粒，通过送粉器将一次造粒的成品粉末送至等离子焰流中心，在极短的时间内达到致密球化，随后喷射入水中成型。把水中收集的二次造粒粉末烘干后置入≤300℃的烘箱或炉中加温烘烤，除去粉末中残留的有机添加剂成分，烘烤后的粉末有效成分的含量大于99.9％，残存添加物杂质含量小于0.1％(称为二次造粒成品)。用霍尔流量计测定粉末的松装密度和流动性，扫描电镜测定粉末的形貌，X射线粉晶衍射测定粉末的晶体结构，采用等离子喷涂制备涂层红外辐射性能的检测，测试结果列于表3。

        表3    实施例3得到的团聚形镍铬尖晶石材料的测试数据

粉末形貌	松装密度g/cm3	流动性S/50g	涂层法向全辐射率
				致密的空心球形	2.1	45	0.875

Claims (4)

1、一种热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末，其特征在于，由下列成分按质量百分比制成，

NiO                 13％～35％，

Cr₂O₃             38％～65％，

TiO₂               4％～8％，

Nb₂O₅             4％～8％，

TiN 3～5％和TiB₂ 3～5％，或者Fe₂O₃ 6％和MnO₂5％，

SiO₂               0～2％，

ZrO₂               0～5％，

各成分质量百分数之和为100％。

2、一种制备权利要求1所述的热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末的方法，其特征在于，制备步骤为：

第1、配料：将下述纳微米粉末按质量百分比配料，13％～35％NiO，38％～65％Cr₂O₃ 4％～8％TiO₂，4％～8％Nb₂O₅，3～5％TiN和3～5％TiB₂或者6％Fe₂O₃和5％MnO₂，0～2％的SiO₂和0～5％ZrO₂配成各成分质量百分数之和为100％的混合固体料；

第2、制浆：将步骤1配好的混合固体料与粘接剂按质量95％～98％∶2％～5％的配比混合，加入混合料质量0.4～0.6倍的净水，调配成料浆，所述的粘接剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素及聚苯乙烯中的一种或两种以上的混合物；

第3、雾化干燥：将步骤2所得到的料浆在喷雾干燥塔内雾化干燥，干燥塔温度控制在110～300℃范围内，制成团聚粉末；

第4、高温烧结：将步骤3所得到的团聚粉末置于烧结炉中烧结，温度为1100～1300℃，升温速率为3℃/min，保温时间为10～30分钟，制成含镍铬尖晶石结构的粉末；

第5、致密化：将步骤4所得到的含镍铬尖晶石结构的粉末，在保温时间内从烧结炉中取出，随后倒入水中淬冷成型，然后将成型粉粒烘干，即得产品。

3、如权利要求2所述的热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，所述的雾化干燥是用离心雾化喷嘴将料浆喷入干燥塔中干燥，其离心雾化器的转速为800～20000r/min。

4、如权利要求2所述的热喷涂用镍铬尖晶石型红外辐射陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，所述的雾化干燥是用干燥压缩空气为载体，采用二流式喷嘴将浆料喷入干燥塔内干燥。