一种具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构及制备方法

摘要

本发明涉及材料表面工程领域，具体涉及一种具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构及制备方法。本发明所述的具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构包括过渡层和陶瓷层，过渡层的一面与基体冶金结合，另一面与陶瓷层冶金结合，所述陶瓷层为夹心结构陶瓷层，其上下两层为普通陶瓷层，中间层为纳米陶瓷层。该具有夹心纳米陶瓷层的涂层具有优秀的抗高温性及较好的韧性和延展性，用途广泛，使用寿命长。本发明所述的涂层结构制备方法，可在各种高温合金表面制备不同的具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构，方法简单高效，有利于保留涂层的纳米特性。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面工程领域，具体涉及一种具有夹心纳米陶瓷 层的涂层结构及制备方法。

背景技术

在高温材料行业中，由于工作环境对材料的耐热性要求越来越高， 单纯的金属材料已不能满足要求。而同时，陶瓷材料具有优异的耐磨、 耐蚀、耐热和抗高温氧化性能，但由于其脆性较大、耐疲劳性能差、 对应力和裂纹敏感，且难以加工，使其应用受到了限制。所以人们逐 渐将陶瓷涂层作为表面保护层制备在金属表面形成金属/陶瓷复合材 料，将基体金属和表面陶瓷涂层的特点有机地结合起来，发挥两类材 料的综合优势。

与传统陶瓷涂层相比，纳米陶瓷涂层不仅具有耐磨、耐蚀、耐热 等优点，更克服了陶瓷材料脆性大的缺点，并可能表现出与金属材料 类似的塑性，使其逐渐成为各个行业的研究目标。但由于纳米材料比 表面积大、表面活性高，在制备涂层过程中极易长大，而失去了纳米 材料的特性。所以在高温材料表面制备纳米陶瓷涂层还存在一定的难 度。目前制备的大部分纳米陶瓷涂层其实并不是纯粹意义上的纳米陶 瓷涂层，一般都可认为是在微米或者是亚微米晶粒基体相中存在着纳 米粒子相。

当前，等离子喷涂纳米陶瓷团聚体、激光熔覆纳米陶瓷粉等方法 常用于制备纳米陶瓷涂层。由于激光具有加热、冷却速度快，是制备 纳米涂层的理想方法，但其可调控能力较差，所以得到的纳米陶瓷结 构多样化，且表面应力较大，容易剥落。经过电子束物理气相沉积 (EB-PVD)方法加工得到的氧化钇部分稳定的氧化锆热障陶瓷涂层 (YPSZ)，虽然涂层整体均为纳米组织，但制备效率低且成本很高。 由于以上原因，高温纳米陶瓷涂层尚没有实质性的技术突破，限制了 其应用范围。因此，发展一种制造成本较低又具有纳米陶瓷特性的涂 层成为一个亟待解决的问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种具有夹心纳米陶瓷 层的涂层结构及制备方法。

本发明所述具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构，包括过渡层和陶瓷 层，过渡层的一面与基体冶金结合，另一面与陶瓷层冶金结合，其特 征在于：所述陶瓷层为夹心结构陶瓷层，其上下两层为普通陶瓷层， 中间层为纳米陶瓷层。

优选的，所述陶瓷层厚度为150～600μm，其中普通陶瓷层厚度 各为50～200μm，纳米陶瓷层厚度为50～200μm。

优选的，所述纳米陶瓷层由粘结剂与纳米陶瓷粉混合烧熔制成。 更优选的，所述粘结剂为PVC或PVA。

优选的，所述基体包括铁基、镍基、钴基高温合金结构件。

优选的，所述过渡层由纯Ti粉、Al粉和粒度20nm的Al₂O₃纳 米陶瓷粉按照质量比(3.8～4.5):(4.5～5.0):(0.8～1.2)的比例组成。

优选的，所述过渡层厚度为100～200μm。

本发明所述的一种具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构的制备方法， 其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对基体表面进行净化、活化处理；

(2)选取满足自蔓延反应合金要求及过渡层性能要求的粉末体 系，均匀混合作为过渡层粉末；

(3)将过渡层粉末烘干，并压制成100～200μm厚度的薄片；

(4)将纳米陶瓷粉与粘结剂进行混合、烘干，最后进行球磨分散；

(5)将压制好的过渡层粉片放置在基体上，再在过渡层粉片上依 次涂覆50～200μm厚度的纳米陶瓷粉、50～200μm厚度的混有粘结剂 的纳米陶瓷粉和50～200μm厚度的纳米陶瓷粉；

(6)对基体上的粉层进行激光扫描，在基体上同时生成过渡层和 陶瓷层，得到具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构。

优选的，所述激光采用CO2激光或Nd:YAG激光。

优选的，所述激光的扫描功率为200～2000W，聚焦成直径1～5mm 的光斑，扫描速度0.1～3m/min。

本发明提供了一种具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构及制备方法。 该具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构具有优秀的抗高温性及较好的韧 性和延展性，用途广泛，使用寿命长。本发明提供的具有夹心纳米陶 瓷层的涂层结构的制备方法，利用激光熔覆技术与激光自蔓延合成技 术可在各种高温合金表面制备不同的纳米陶瓷涂层，并使其过渡层与 陶瓷层同时生成，减少制备步骤，提高生产效率，降低生产成本。同 时，本发明使用夹心陶瓷层结构，将陶瓷层分为三层铺粉，将经粘结 剂混合的纳米陶瓷粉夹在两层普通纳米陶瓷粉中间。普通纳米陶瓷粉 在熔覆过程中可以填充到中间纳米陶瓷层，减少由于粘结剂烧结所产 生的空洞，使涂层致密、无裂纹缺陷；其生成的普通陶瓷层又具有晶 粒细小，质地细密，抗高温性能优异的特点，在熔覆过程可以有效保 护中间层的纳米相。而且普通陶瓷层的优异特点在涂层的使用过程中 还可以有效保护纳米陶瓷层，提高涂层的使用寿命。粘结剂的加入可 以阻碍纳米陶瓷颗粒重新成核，进一步保障了生成的纳米陶瓷层具有 较好的韧性、延展性等纳米性质。

附图说明

图1为本发明具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构的结构示意图；

图2为本发明实施例中所用纳米Al₂O₃的微观结构图；

图3为本发明实施例中所制备涂层的微观结构图。

图4为本发明实施例中所制备涂层中纳米陶瓷层的微观组织结 构图。

图中标号：

1-基体；2-过渡层；3-陶瓷层；31-普通陶瓷层；32-纳米陶瓷层。

具体实施方式

本发明提供了一种具有夹心纳米陶瓷层的涂层结构及制备方法， 下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1所示，1为基体，2为 过渡层，3为陶瓷层，陶瓷层3为夹心结构，夹心的上下两层为普通 陶瓷层31，中间层为纳米陶瓷层32。

根据本发明的一个实施例，在TiAl合金基体1上制备Al₂O₃纳米 陶瓷涂层。具体操作如下：

(1)对基体1用丙酮和酒精清洗干净，然后喷砂备用；

(2)将纯Ti粉、Al粉及粒度20nm的Al₂O₃纳米陶瓷粉(如图2 所示)按质量比例4.3:4.7:1进行配置，经球磨机混合50min得到过渡 层粉末；

(3)将过渡层粉末在100℃下烘干1h，再压制成150μm厚度的薄 片；

(4)将Al₂O₃纳米陶瓷粉放入高能球磨机进行粉碎，避免其团聚； 同时将粉碎后一部分Al₂O₃纳米陶瓷粉与PVC粘结剂进行混合、烘 干，最后进行球磨；

(5)将压制好的过渡层粉片放置在基体1上，再在过渡层粉片上 依次涂覆100μm厚度的Al₂O₃纳米陶瓷粉、100μm厚度的混有PVC 粘结剂的Al₂O₃纳米陶瓷粉和100μm厚度的Al₂O₃纳米陶瓷粉；

(6)采用连续CO₂激光，激光功率为1300W，聚焦成直径为2mm 的光斑，在1.5m/min的扫描速度下对基体1上的粉层进行熔覆，在 基体1上同时生成过渡层2和陶瓷层3，得到具有夹心Al₂O₃纳米陶 瓷层的涂层。

根据上述步骤得到的具有夹心Al₂O₃纳米陶瓷层的涂层，其涂层 厚度为450μm，其中过渡层2约为150μm，陶瓷层3约为300μm， 陶瓷层3的夹心结构中上下两层普通陶瓷层31各约为100μm，中间 层纳米陶瓷层32约为100μm。如图3所示，涂层的各层界面间均为 冶金结合、无裂纹，而且纳米陶瓷层32中的纳米颗粒均小于100nm (如图4所示)，保留了纳米颗粒特有的特性，其性能测试指标均高 于同等材料涂层。

以上内容仅仅是对本发明的具体实施方式所作的举例和说明，应 该指明的是，依据本发明的构想对上述实施方式进行修改或补充或采 用类似的方式替代，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵 盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。