等离子喷涂法制备的氧化镧－氧化铝复合涂层及其制备方法

摘要

本发明涉及等离子喷涂法制备的氧化镧－氧化铝复合涂层及其制备方法，属于耐磨陶瓷涂层领域。本发明的按氧化镧和氧化铝比例为3/97～10/90称取氧化铝和氧化镧粉体，球磨混合；采用等离子体喷涂工艺，将复合粉体沉积于已清洗和喷砂处理的金属基材上。本发明制得的氧化镧－氧化铝复合涂层显微结构分析表明镧元素均匀地分散在氧化铝基体相中，涂层相比于喷涂纯Al2O3涂层，等离子喷涂Al2O3－La2O3涂层有更高的沉积效率，有效地改善等离子喷涂涂层的耐磨性能。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子喷涂法制备的氧化镧—氧化铝复合涂层及其制备方法，属于耐磨陶瓷涂层领域。

背景技术

等离子体喷涂氧化铝涂层作为一种优良的耐磨涂层在机械、化工、造纸等领域获得到了较好应用。但是，一方面，陶瓷材料的内在脆性与热喷涂技术的工艺特点，决定了氧化铝涂层的低沉积效率和多孔的结构特征，在很大程度上制约了涂层在耐磨领域的进一步应用；另一方面，随着科技的高速发展，对涂层材料的应用环境又提出了更高的要求。因此，如何改善等离子体喷涂氧化铝涂层结构与耐磨性能是值得研究的课题。

国内外文献报道用于改善等离子体喷涂氧化铝结构与力学性能的途径主要有：工艺参数优化、粉料结构与组成设计、后处理等。由于等离子体喷涂工艺影响因素达50多个且又相互影响，使得试验工作量大且难以获得优化工艺。采用浸渍密封、激光重熔等后处理手段虽然可以有效地降低气孔率，提高涂层致密度与热学、力学性能(M.Vippola，S.Ahmaniemi，J.Keranen，et al.，Mater.Sci.Eng.A，2002，32：1-8)，但同时也使得涂层制备工艺复杂化，涂层制备成本提高。等离子喷涂涂层一般过程为熔融粉料高速撞击基材、铺展、冷却、固化堆积形成涂层，可以看出喷涂粉料的结构与组成特性直接影响到熔融颗粒飞行特性和沉积涂层的结构与性能。因此，喷涂粉料的组成与结构设计，已经成为提高等离子喷涂氧化铝涂层耐磨性能的重要手段。如通过合金法制备Al₂O₃-TiO₂、Al₂O₃-Cr₂O₃复合粉末，等离子体喷涂工艺制备涂层，其耐磨性能相对于纯Al₂O₃涂层均有一定的改善(V.Fervel，B.Normand，C.Coddet，Wear，1999，230：70-77)。近年来，研究者们仍在不断探索新的复合涂层体系。

发明内容

本发明是在以往技术的基础上，采用机械混合工艺制备Al₂O₃-La₂O₃复合粉末，利用大气等离子喷涂技术在金属基材上，沉积Al₂O₃-La₂O₃复合涂层。

本发明的具体工艺过程如下：

(1)按氧化镧和氧化铝比例为3/97～10/90称取氧化铝和氧化镧粉体，球磨混合；

(2)采用等离子体喷涂工艺，将步骤(1)制得的复合粉体沉积于已清洗和喷砂处理的金属基材上。

优选的磨球与粉体质量比为1/3～1/2。

优选控制的工艺参数范围为：

电流                600～700安培

等离子气体H₂        7～20标准升/分钟

等离子气体Ar        40～55标准升/分钟

粉末载气Ar          3.5～4.2标准升/分钟

喷涂距离            80～120mm

优选的金属基材为不锈钢基材。

本发明制得的氧化镧—氧化铝复合涂层显微结构分析表明镧元素均匀地分散在氧化铝基体相中(图3)，XRD图谱显示涂层晶相组成为：γ-Al₂O₃、α-Al₂O₃、La₂O₃、La(OH)₃(图4)。

相比于喷涂纯Al₂O₃涂层，等离子喷涂Al₂O₃-La₂O₃涂层有更高的沉积效率(图5)，有效地改善等离子喷涂涂层的耐磨性能(图6)。

附图说明

图1为Al₂O₃-5wt.％La₂O₃复合粉末的表面形貌：可以看出La₂O₃粉末较好地分散。

图2为不同含量氧化镧掺杂Al₂O₃-La₂O₃复合粉末X射线衍射图谱：由于Al₂O₃-La₂O₃在空气中易吸水性，XRD图谱存有La(OH)₃峰。

图3为Al₂O₃-5wt.％La₂O₃复合涂层的截面形貌和成分分析：成分分析显示稀土La元素在涂层内部较均匀的分散。

图4为不同含量氧化镧掺杂Al₂O₃-La₂O₃复合涂层的X射线衍射图谱：涂层主晶相为γ-Al₂O₃，伴随有一定量的α-Al₂O₃、La₂O₃、La(OH)₃相。

图5为氧化镧掺杂对等离子体喷涂Al₂O₃涂层沉积效率的影响：可以看出，La₂O₃的添加提高了Al₂O₃涂层的沉积效率。

图6和图7氧化镧掺杂对等离子体喷涂Al₂O₃涂层耐磨性能的影响：可以看出，La₂O₃的添加降低了磨损率，有效地提高了Al₂O₃涂层的耐磨性能。

具体实施方式

下面通过实施例进一步阐明本发明，但并非仅限于本发明。

实施例1

按氧化镧质量百分含量为3％称取氧化铝和氧化镧粉末，再按球粉比为1/3称取直径为3mm的氧化锆球，一起装入球磨瓶中，在球磨机上干混2个小时，制成氧化镧质量百分含量为3％、5％和10％的Al₂O₃-La₂O₃复合粉料。采用大气等离子喷涂技术，按表1控制工艺参数，在尺寸为Φ50×Φ6.5×8mm的经过清洗和喷砂预处理的不锈钢摩擦盘表面喷涂复合涂层和纯氧化铝涂层。从图5可以看到，同样的工艺条件下，氧化镧稀土掺杂后的复合涂层的厚度相对纯氧化铝涂层有20～35％的提高，沉积涂层厚度的提高反映出稀土氧化镧的添加大大提高了氧化铝涂层的沉积效率。

实施例2

按氧化镧质量百分含量为5％称取氧化铝和氧化镧粉末，再按球粉比为1/3称取直径为3mm的氧化锆球，一起装入球磨瓶中，在球磨机上干混2个小时，制成氧化镧质量百分含量为3％、5％和10％的Al₂O₃-La₂O₃复合粉料。采用大气等离子喷涂技术，按表1控制工艺参数，在尺寸为Φ50×Φ6.5×8mm的经过清洗和喷砂预处理的不锈钢摩擦盘表面喷涂复合涂层和纯氧化铝涂层。从图5可以看到，同样的工艺条件下，氧化镧稀土掺杂后的复合涂层的厚度相对纯氧化铝涂层有20～35％的提高，沉积涂层厚度的提高反映出稀土氧化镧的添加大大提高了氧化铝涂层的沉积效率。

实施例3

按氧化镧质量百分含量为10％

称取氧化铝和氧化镧粉末，再按球粉比为1/3称取直径为3mm的氧化锆球，一起装入球磨瓶中，在球磨机上干混2个小时，制成氧化镧质量百分含量为3％、5％和10％的Al₂O₃-La₂O₃复合粉料。采用大气等离子喷涂技术，按表1控制工艺参数，在尺寸为Φ50×Φ6.5×8mm的经过清洗和喷砂预处理的不锈钢摩擦盘表面喷涂复合涂层和纯氧化铝涂层。从图5可以看到，同样的工艺条件下，氧化镧稀土掺杂后的复合涂层的厚度相对纯氧化铝涂层有20～35％的提高，沉积涂层厚度的提高反映出稀土氧化镧的添加大大提高了氧化铝涂层的沉积效率。

采用实施例1、2、3所制备的喷涂有涂层的摩擦盘，经过一定磨抛光工艺后(表面粗糙度0.5μm左右)，与Φ9.5mm不锈钢球以球-盘(Ball-on-disc)接触方式对磨。摩擦设备为美国CETR的UMT-3多功能摩擦磨损测试仪。摩擦实验条件为：载荷15N，转速和摩擦半径分别为1000rpm和15mm(线速度约1.7m/s)，摩擦时间为10min。摩擦磨损结果如图5所示，从摩擦系数和磨损率对比可以看出，稀土掺杂有效地改善了涂层的耐磨性能。

表1

  电流  660安培  等离子气体H₂  12标准升/分钟  等离子气体Ar  49标准升/分钟  粉末载气Ar  4.0标准升/分钟  喷涂距离  110mm