專利名稱：大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種大顆粒球形陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，特別是一種用于熱噴涂、激光熔覆和燒結(jié)成型的大顆粒球形微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱噴涂及其激光熔覆傳統(tǒng)微米級陶瓷及其復(fù)合陶瓷粉體因?yàn)槟軌蛑苽淠湍?、耐氧化、耐腐蝕等性能優(yōu)良的陶瓷涂層，所以在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用。但是由于傳統(tǒng)微米級陶瓷粉體在噴涂或熔覆時(shí)大部分顆粒處于完全熔化狀態(tài)，涂層中亞穩(wěn)相增含量高、孔隙率高、殘余應(yīng)力大，因此涂層與基體之間、涂層內(nèi)部的強(qiáng)度和韌性差，易導(dǎo)致陶瓷涂層與基體之間、陶瓷內(nèi)部易剝落和開裂，從而造成涂層失效，嚴(yán)重地影響了其在特殊工況條件下的應(yīng)用。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?2113978.3，名稱大顆粒球形納米陶瓷粉末的生產(chǎn)方法和應(yīng)用方法，該專利涉及大顆粒球形納米陶瓷粉末和工藝，其涉及的材料包括由納米級尺寸的初級陶瓷粉末制備的大顆粒球形陶瓷粉末，其生產(chǎn)過程為(1)利用濕法球磨獲得水性納米膠體；(2)將水性納米膠體噴霧干燥，獲得大顆粒球形納米陶瓷粉末；(3)將噴霧干燥粉末進(jìn)行熱處理；(4)將熱處理后的粉末進(jìn)行等離子體致密化。但是該專利涉及的粉末僅是由納米級陶瓷粉末組成，并沒有涉及到亞微米、納米、短纖維三種初級陶瓷粉中兩種以上尺寸規(guī)格的粉末組成的大顆粒球形亞微米/納米/短纖維陶瓷復(fù)合粉末及其制備方法，而且由純納末粉末通過熱噴涂或激光熔覆制備的涂層中納米顆粒顯著長大，而且孔隙率高，其性能并沒有達(dá)到預(yù)期的效果。另外，由純納米陶瓷粉末制備的涂層其成本高，極大地限制了其在民用工業(yè)上的應(yīng)用。由于由尺度為亞微米級、納米級和短纖維的陶瓷粉由于質(zhì)量太小、比表面積大，導(dǎo)致其流動性差，在噴涂過程中極易千萬輸送管路堵塞，另一方面，此類單一成份粉末及其直接混合的粉末沖量小，并且在熱噴涂過程中極易長大，無法形成致密的熱噴涂層，造成涂層性能差，因此，此類粉末不能直接應(yīng)用于熱噴涂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足和缺陷，提供一種大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，使其與傳統(tǒng)的熱噴涂層及其燒結(jié)體相比，所得到的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體可直接應(yīng)用于熱噴涂，且熱噴涂層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)度、韌性、熱沖擊性能和優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明方法步驟如下(1)通過濕法球磨獲得水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體；(2)將水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體通過離心或壓力噴霧造粒，制備出大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體；(3)將噴霧造粒后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行熱處理，消除其中有機(jī)成份及水分，并實(shí)現(xiàn)大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體顆粒內(nèi)部的各組成之間的緊密結(jié)合；(4)將熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，得到大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體。
以下對本發(fā)明方法作進(jìn)一步的說明，具體內(nèi)容如下(1)通過濕法球磨獲得水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體將初級粉體進(jìn)行混合，制備成濕法球磨固料，利用行星球磨、振動球磨、攪拌球磨機(jī)等球磨設(shè)備之一進(jìn)行濕法球磨。以A15、聚乙烯酸等分散劑作為分散介質(zhì)，以PVA、CMC等作為粘結(jié)劑，以正丁醇或正辛醇作為消泡劑，去離子水作為溶劑，瑪瑙球、氧化鋁球、氧化鋯球、碳化物球等作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑介于5毫米～15毫米之間。根據(jù)膠體體系的不同，A15含量約為固料含量重量的0.1～0.8％，PVA的含量約為固料含量重量的0.5％～3％，正丁醇約為固料含量重量的0.1％～0.5％，固料、去離子水的重量比約為1∶0.5～4，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為首先初級粉體配料后投入球磨機(jī)內(nèi)，分別加入去離子水、分散介質(zhì)、球磨介質(zhì)，以150r/min濕法球磨4～8小時(shí)后，再在膠體中注入粘結(jié)劑和消泡劑，而后以150r/min繼續(xù)球磨2～6小時(shí)，從而制成分散性好、體系穩(wěn)定的、適于噴霧造粒的水基亞微米/納米/纖維復(fù)合粉膠體。
(2)將水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體通過離心或壓力噴霧造粒其噴霧造粒的方法主要包括離心噴霧或壓力噴霧。噴霧造粒的工藝參數(shù)為進(jìn)風(fēng)溫度介于300～350℃之間，出風(fēng)溫度介于110～120℃之間。根據(jù)不同的噴霧干燥設(shè)備規(guī)定的流量，其流量介于5～300kg/h之間。通過噴霧造粒，可制備出平均粒徑約為30～60微米，粒徑分布在10～100微米之間的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體。
(3)將噴霧造粒后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行熱處理通過對噴霧造粒后制備的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行相應(yīng)措施的熱處理工藝處理，以除去其中有的分散劑、粘結(jié)劑、消泡劑等有機(jī)成分和剩余的水分，實(shí)現(xiàn)大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體內(nèi)部各相之間的結(jié)合，并保持大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體的尺度和形狀。所用的熱處理設(shè)備選用井式、箱式電阻爐或燒結(jié)爐，其熱處理溫度介于400～1400℃之間。
(4)將熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理采用等離子體球化裝置，對熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，等離子發(fā)生器功率為20～80KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣，送粉氣體為氮?dú)?，送粉速率?～5kg/h。通過處理，實(shí)現(xiàn)大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體內(nèi)部的致密化及冶金結(jié)合，保證各相之間的均勻分布，使大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體更進(jìn)一步球形，增強(qiáng)其流動性，從而完成大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體的制備過程的初級粉體主要包括氧化物、碳化物、氮化物，其尺度規(guī)格有三種尺度小于1微米的亞微米級顆粒、尺度小于100納米的納米顆粒、直徑小于1微米、長度小于5微米短纖維，采用以上兩種或三種尺度規(guī)格的顆粒或纖維制備大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體。
對于氮化物或部分碳化物(如碳化硅)為主要原料的制備，只需要進(jìn)行以上方法步驟的第1～3步驟，即可以制備出大顆粒球形微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，該制備方法簡單，成本低，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，與傳統(tǒng)的熱噴涂層及其燒結(jié)體相比，該方法制備得到的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體可直接應(yīng)用于熱噴涂，且熱噴涂層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)度、韌性、熱沖擊性能和優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性，因而具有極大的市場應(yīng)用前景。制備的大顆粒球形微米/納米/短纖維復(fù)合陶瓷粉體的平均粒徑為20～60微米直徑之間，粒度分布在5～100微米，形狀為球形或近球形結(jié)構(gòu)，大顆粒粉體內(nèi)部各組份之間結(jié)合緊密，流動性好，具有良好的輸送特性，能夠作為熱噴涂、激光熔覆等表面技術(shù)及陶瓷燒結(jié)用粉體，可以制備性能優(yōu)異的復(fù)合陶瓷涂層或塊體，具有良好的市場應(yīng)用前景及商業(yè)價(jià)值。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合方法的內(nèi)容提供具體的實(shí)施例實(shí)施例1大顆粒球形的87％重量百分比亞微米氧化鋁/13％重量百分比納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體的制備將按規(guī)定比例的氧化物制備成漿料用固料，固料和去離子水重量比為1∶0.5，A15含量約為固料重量的0.3％，PVA的含量約為固料含量重量的0.8％，正丁醇約為固料含量重量的0.5％，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為1∶2。按上述配比進(jìn)行濕法球磨8小時(shí)；將球磨制備的水基膠體進(jìn)行噴霧造粒，進(jìn)風(fēng)溫度為320℃，出風(fēng)溫度為120℃，流量為5kg/h；利用井式電阻爐對噴霧造粒后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體該復(fù)合粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度為800℃；然后將熱處理后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行致密化和進(jìn)一步的球形化處理，等離子發(fā)生器功率為40KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣，送粉氣體為氮?dú)?，送粉速率?kg/h。以此完成了大顆粒球形的87％重量百分比/亞微米氧化鋁/13％重量百分比納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體制備過程。制備的這種粉體顆粒平均直徑為33微米，粒徑分布為5～70微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2大顆粒球形的94％重量百分比亞微米氧化鋁/3％重量百分比納米氧化鈦/3％重量百分比.短纖維氧化鋁復(fù)合陶瓷粉體的制備將按規(guī)定比例的氧化物制備成漿料用固料，固料和去離子水重量比為1∶1，A15含量約為固料重量的0.5.％，PVA的含量約為固料含量重量的1％，正丁醇約為固料含量重量的0.5％，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為1∶2。按上述配比進(jìn)行濕法球磨13小時(shí)；將球磨制備的水基膠體進(jìn)行噴霧造粒，進(jìn)風(fēng)溫度為350℃，出風(fēng)溫度介于120℃之間，流量為5kg/h；利用井式電阻爐對噴霧造粒后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體該復(fù)合粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度800℃；然后將熱處理后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行致密化和進(jìn)一步的球形化處理，等離子發(fā)生器功率為40KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣。送粉氣體為氮?dú)?，送粉速率?kg/h。以此完成了大顆粒球形的94％重量百分比亞微米氧化鋁/3％重量百分比納米氧化鈦/3％重量百分比短纖維氧化鋁復(fù)合陶瓷粉體制備過程。制備的這種粉體顆粒平均直徑為29微米，粒徑分布為5～57微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3大顆粒球形95％重量百分比亞微米氮化硅+5％重量百分比納米氧化鋁陶瓷復(fù)合粉體的制備按重量百分比，由95％亞微米氮化硅和5％納米碳化硅組成，其粉體特征為其結(jié)構(gòu)為實(shí)心球形或近球形結(jié)構(gòu)，粉體顆粒平均直徑為26微米，粒徑分布為5～80微米之間。
將按規(guī)定比例的氧化物制備成漿料用固料，固料和去離子水重量比為1∶0.8，A15含量約為固料重量的0.5％，PVA的含量約為固料含量重量的1.％，正丁醇約為固料含量重量的0.5.％，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為1∶2.5。按上述配比進(jìn)行濕法球磨12小時(shí)；將球磨制備的水基膠體進(jìn)行噴霧造粒，進(jìn)風(fēng)溫度介于350℃，出風(fēng)溫度120℃，流量5kg/h；利用井式電阻爐對噴霧造粒后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體該復(fù)合粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度介于1100℃，以此完成了大顆粒球形95％亞微米氮化硅+5％納米氧化鋁陶瓷復(fù)合粉體制備過程。制備的這種粉體顆粒粉體顆粒平均直徑為26微米，粒徑分布為5～80微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4大顆粒球形的97％重量百分比亞微米WC-12.Co/3％重量百分比納米TiO2復(fù)合陶瓷粉體的制備將按規(guī)定比例的氧化物制備成漿料用固料，固料和去離子水重量比為1∶0.5，A15含量約為固料質(zhì)量的0.5％，PVA的含量約為固料含量質(zhì)量的1.5％，正丁醇約為固料含量質(zhì)量的0.5％，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為1∶2。按上述配比進(jìn)行濕法球磨6小時(shí)；將球磨制備的水基膠體進(jìn)行噴霧造粒，進(jìn)風(fēng)溫度介于300℃，出風(fēng)溫度110℃，流量介于5kg/h之間；利用井式電阻爐對噴霧造粒后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體該復(fù)合粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度400℃；然后將熱處理后的大顆粒球形的亞微米氧化鋁/納米氧化鈦復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行致密化和進(jìn)一步的球形化處理，等離子發(fā)生器功率為35 KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣，并加入20L/h的甲烷，以氮?dú)庾鳛樗头蹥?，送粉速率?kg/h，并通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣，以此完成了大顆粒球形的97％重量百分比亞微米WC-12.Co/3％重量百分比納米TiO2復(fù)合陶瓷粉體的制備過程。制備的這種粉體顆粒平均直徑為37微米，粒徑分布為10～100微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于，方法步驟如下(1)通過濕法球磨獲得水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體；(2)將水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體通過離心或壓力噴霧造粒，制備出大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體；(3)將噴霧造粒后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行熱處理，消除其中有機(jī)成份及水分，并實(shí)現(xiàn)大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體顆粒內(nèi)部的各組成之間的緊密結(jié)合；(4)將熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，得到大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的通過濕法球磨獲得水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體，具體如下首先初級粉體配料后投入球磨機(jī)內(nèi)，分別加入去離子水、分散介質(zhì)、球磨介質(zhì)，以150r/min濕法球磨4～8小時(shí)后，再在膠體中注入粘結(jié)劑和消泡劑，而后以150r/min繼續(xù)球磨2～6小時(shí)，從而制成適于噴霧造粒的水基亞微米/納米/纖維復(fù)合粉膠體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，將初級粉體進(jìn)行混合，制備成濕法球磨固料，采用行星球磨、振動球磨、攪拌球磨機(jī)等球磨設(shè)備之一進(jìn)行濕法球磨，以A15、聚乙烯酸作為分散介質(zhì)，以PVA、CMC作為粘結(jié)劑，以正丁醇或正辛醇作為消泡劑，去離子水作為溶劑，瑪瑙球、氧化鋁球、氧化鋯球、碳化物球作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑介于5毫米～15毫米之間，根據(jù)各個(gè)膠體體系，A15含量為固料含量重量的0.1～0.8％，PVA的含量為固料含量重量的0.5％～3％，正丁醇為固料含量重量的0.1％～0.5％，固料、去離子水的重量比約為1∶0.5～4，固料、球磨介質(zhì)的重量比約為1∶1～4。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的初級粉體包括氧化物、碳化物，其尺度規(guī)格有三種尺度小于1微米的亞微米級顆粒、尺度小于100納米的納米顆粒、直徑小于1微米、長度小于5微米短纖維，采用以上兩種或三種尺度規(guī)格的顆粒或纖維制備大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的將水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體通過離心或壓力噴霧造粒，具體如下噴霧造粒的方法主要為離心噴霧或壓力噴霧，噴霧造粒的工藝參數(shù)為進(jìn)風(fēng)溫度介于300～350℃之間，出風(fēng)溫度介于110～120℃之間，根據(jù)各噴霧干燥設(shè)備規(guī)定的流量，其流量介于5～300kg/h之間，通過噴霧造粒，制備出平均粒徑為30～60微米，粒徑分布在10～100微米之間的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的將噴霧造粒后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行熱處理，具體如下通過對噴霧造粒后制備的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行相應(yīng)措施的熱處理工藝處理，除去其中有的分散劑、粘結(jié)劑、消泡劑有機(jī)成分和剩余的水分，所用的熱處理設(shè)備選用井式、箱式電阻爐或燒結(jié)爐，其熱處理溫度介于400～1400℃之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大顆粒球形亞微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的將熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，具體如下采用等離子體球化裝置，對熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，等離子發(fā)生器功率為20～80KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣，送粉氣體為氮?dú)?，送粉速率?～5kg/h。
全文摘要
一種大顆粒球形微米/納米/纖維陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。步驟如下通過濕法球磨獲得水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體；將水基亞微米/納米/纖維陶瓷膠體通過離心或壓力噴霧造粒，制備出大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體；將噴霧造粒后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行熱處理，消除其中有機(jī)成份及水分；將熱處理后的大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體進(jìn)行等離子體致密化和進(jìn)一步球形化處理，得到大顆粒球形亞微米/納米/纖維復(fù)合陶瓷粉體。本發(fā)明方法簡單，成本低，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，制備的熱噴涂層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)度、韌性、熱沖擊性能和優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性，市場應(yīng)用前景較好。
文檔編號C04B35/63GK1453243SQ0312891
公開日2003年11月5日 申請日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者孫寶德, 翟長生, 王俊, 李飛, 陳海龑 申請人:上海交通大學(xué)