一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及材料表面工程領(lǐng)域，具體涉及一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法。本發(fā)明所述的具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)包括過渡層和陶瓷層，過渡層的一面與基體冶金結(jié)合，另一面與陶瓷層冶金結(jié)合，所述陶瓷層為夾心結(jié)構(gòu)陶瓷層，其上下兩層為普通陶瓷層，中間層為納米陶瓷層。該具有夾心納米陶瓷層的涂層具有優(yōu)秀的抗高溫性及較好的韌性和延展性，用途廣泛，使用壽命長。本發(fā)明所述的涂層結(jié)構(gòu)制備方法，可在各種高溫合金表面制備不同的具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，方法簡單高效，有利于保留涂層的納米特性。
【專利說明】一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料表面工程領(lǐng)域，具體涉及一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在高溫材料行業(yè)中，由于工作環(huán)境對材料的耐熱性要求越來越高，單純的金屬材料已不能滿足要求。而同時(shí)，陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，但由于其脆性較大、耐疲勞性能差、對應(yīng)力和裂紋敏感，且難以加工，使其應(yīng)用受到了限制。所以人們逐漸將陶瓷涂層作為表面保護(hù)層制備在金屬表面形成金屬/陶瓷復(fù)合材料，將基體金屬和表面陶瓷涂層的特點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢。
[0003]與傳統(tǒng)陶瓷涂層相比，納米陶瓷涂層不僅具有耐磨、耐蝕、耐熱等優(yōu)點(diǎn)，更克服了陶瓷材料脆性大的缺點(diǎn)，并可能表現(xiàn)出與金屬材料類似的塑性，使其逐漸成為各個(gè)行業(yè)的研究目標(biāo)。但由于納米材料比表面積大、表面活性高，在制備涂層過程中極易長大，而失去了納米材料的特性。所以在高溫材料表面制備納米陶瓷涂層還存在一定的難度。目前制備的大部分納米陶瓷涂層其實(shí)并不是純粹意義上的納米陶瓷涂層，一般都可認(rèn)為是在微米或者是亞微米晶?；w相中存在著納米粒子相。
[0004]當(dāng)前，等離子噴涂納米陶瓷團(tuán)聚體、激光熔覆納米陶瓷粉等方法常用于制備納米陶瓷涂層。由于激光具有加熱、冷卻速度快，是制備納米涂層的理想方法，但其可調(diào)控能力較差，所以得到的納米陶瓷結(jié)構(gòu)多樣化，且表面應(yīng)力較大，容易剝落。經(jīng)過電子束物理氣相沉積(￡8470)方法加工得到的氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯熱障陶瓷涂層雖然涂層整體均為納米組織，但制備效率低且成本很高。由于以上原因，高溫納米陶瓷涂層尚沒有實(shí)質(zhì)性的技術(shù)突破，限制了其應(yīng)用范圍。因此，發(fā)展一種制造成本較低又具有納米陶瓷特性的涂層成為一個(gè)亟待解決的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法。
[0006]本發(fā)明所述具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，包括過渡層和陶瓷層，過渡層的一面與基體冶金結(jié)合，另一面與陶瓷層冶金結(jié)合，其特征在于:所述陶瓷層為夾心結(jié)構(gòu)陶瓷層，其上下兩層為普通陶瓷層，中間層為納米陶瓷層。
[0007]優(yōu)選的，所述陶瓷層厚度為150?600 ^ 0，其中普通陶瓷層厚度各為50?200 11III，納米陶瓷層厚度為50?200 9 111。
[0008]優(yōu)選的，所述納米陶瓷層由粘結(jié)劑與納米陶瓷粉混合燒熔制成。更優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑為或？V八。
[0009]優(yōu)選的，所述基體包括鐵基、鎮(zhèn)基、鉆基聞溫合金結(jié)構(gòu)件。
[0010]優(yōu)選的，所述過渡層由純II粉、八1粉和粒度20鹽的八1203納米陶瓷粉按照質(zhì)量比(3.8 ?4.5): (4.5 ?5.0): (0.8 ?1.2)的比例組成。
[0011]優(yōu)選的，所述過渡層厚度為100?200^111。
[0012]本發(fā)明所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟:
[0013](1)對基體表面進(jìn)行凈化、活化處理；
[0014](2)選取滿足自蔓延反應(yīng)合金要求及過渡層性能要求的粉末體系，均勻混合作為過渡層粉末；
[0015](3)將過渡層粉末烘干，并壓制成100?200 ^ 0厚度的薄片；
[0016](4)將納米陶瓷粉與粘結(jié)劑進(jìn)行混合、烘干，最后進(jìn)行球磨分散；
[0017](5)將壓制好的過渡層粉片放置在基體上，再在過渡層粉片上依次涂覆50?200 ^ III厚度的納米陶瓷粉、50?200 ^ III厚度的混有粘結(jié)劑的納米陶瓷粉和50?200 4 0厚度的納米陶瓷粉；
[0018](6)對基體上的粉層進(jìn)行激光掃描，在基體上同時(shí)生成過渡層和陶瓷層，得到具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)。
[0019]優(yōu)選的，所述激光采用(1)2激光或制:觀激光。
[0020]優(yōu)選的，所述激光的掃描功率為200?20001，聚焦成直徑1?5皿的光斑，掃描速度 0.1 ?3111/111111。
[0021]本發(fā)明提供了一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法。該具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)秀的抗高溫性及較好的韌性和延展性，用途廣泛，使用壽命長。本發(fā)明提供的具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，利用激光熔覆技術(shù)與激光自蔓延合成技術(shù)可在各種高溫合金表面制備不同的納米陶瓷涂層，并使其過渡層與陶瓷層同時(shí)生成，減少制備步驟，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，本發(fā)明使用夾心陶瓷層結(jié)構(gòu)，將陶瓷層分為三層鋪粉，將經(jīng)粘結(jié)劑混合的納米陶瓷粉夾在兩層普通納米陶瓷粉中間。普通納米陶瓷粉在熔覆過程中可以填充到中間納米陶瓷層，減少由于粘結(jié)劑燒結(jié)所產(chǎn)生的空洞，使涂層致密、無裂紋缺陷；其生成的普通陶瓷層又具有晶粒細(xì)小，質(zhì)地細(xì)密，抗高溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)，在熔覆過程可以有效保護(hù)中間層的納米相。而且普通陶瓷層的優(yōu)異特點(diǎn)在涂層的使用過程中還可以有效保護(hù)納米陶瓷層，提高涂層的使用壽命。粘結(jié)劑的加入可以阻礙納米陶瓷顆粒重新成核，進(jìn)一步保障了生成的納米陶瓷層具有較好的韌性、延展性等納米性質(zhì)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所用納米八1203的微觀結(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所制備涂層的微觀結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所制備涂層中納米陶瓷層的微觀組織結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中標(biāo)號(hào):
[0027]1-基體；2-過渡層；3-陶瓷層；31-普通陶瓷層；32-納米陶瓷層。

【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明提供了一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)及制備方法，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。如圖1所示，1為基體，2為過渡層，3為陶瓷層，陶瓷層3為夾心結(jié)構(gòu)，夾心的上下兩層為普通陶瓷層31，中間層為納米陶瓷層32。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，在II八1合金基體1上制備八1203納米陶瓷涂層。具體操作如下:
[0030](1)對基體1用丙酮和酒精清洗干凈，然后噴砂備用；
[0031](2)將純II粉、八1粉及粒度2011111的八1203納米陶瓷粉(如圖2所示)按質(zhì)量比例4.3:4.7: 1進(jìn)行配置,經(jīng)球磨機(jī)混合50111111得到過渡層粉末；
[0032](3)將過渡層粉末在1001下烘干111，再壓制成150 ^ III厚度的薄片；
[0033](4)將八1203納米陶瓷粉放入高能球磨機(jī)進(jìn)行粉碎，避免其團(tuán)聚；同時(shí)將粉碎后一部分八1203納米陶瓷粉與粘結(jié)劑進(jìn)行混合、烘干，最后進(jìn)行球磨；
[0034](5)將壓制好的過渡層粉片放置在基體1上，再在過渡層粉片上依次涂覆100 4 0厚度的八1203納米陶瓷粉、100 ^ III厚度的混有粘結(jié)劑的八1203納米陶瓷粉和100 ^ 0厚度的八1203納米陶瓷粉；
[0035](6)采用連續(xù)(?激光，激光功率為13001，聚焦成直徑為2臟的光斑，在1.5111/111111的掃描速度下對基體1上的粉層進(jìn)行熔覆，在基體1上同時(shí)生成過渡層2和陶瓷層3，得到具有夾心八1203納米陶瓷層的涂層。
[0036]根據(jù)上述步驟得到的具有夾心八1203納米陶瓷層的涂層，其涂層厚度為4509%其中過渡層2約為150 ^ %陶瓷層3約為300 ^ %陶瓷層3的夾心結(jié)構(gòu)中上下兩層普通陶瓷層31各約為100^111，中間層納米陶瓷層32約為100^111。如圖3所示，涂層的各層界面間均為冶金結(jié)合、無裂紋，而且納米陶瓷層32中的納米顆粒均小于100?。。。?！(如圖4所示)，保留了納米顆粒特有的特性，其性能測試指標(biāo)均高于同等材料涂層。
[0037]以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】所作的舉例和說明，應(yīng)該指明的是，依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，其所產(chǎn)生的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，包括過渡層和陶瓷層，過渡層的一面與基體冶金結(jié)合，另一面與陶瓷層冶金結(jié)合，其特征在于:所述陶瓷層為夾心結(jié)構(gòu)陶瓷層，其上下兩層為普通陶瓷層，中間層為納米陶瓷層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述陶瓷層厚度為150?600 μ m，其中普通陶瓷層厚度各為50?200 μ m,納米陶瓷層厚度為50?200 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述納米陶瓷層由粘結(jié)劑與納米陶瓷粉混合燒熔制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述粘結(jié)劑為PVC或PVA。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述基體包括鐵基、鎳基、鈷基高溫合金結(jié)構(gòu)件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述過渡層由純Ti粉、Al粉和粒度20nm的Al2O3納米陶瓷粉按照質(zhì)量比(3.8?4.5): (4.5?5.0):(0.8?1.2)的比例組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述過渡層厚度為100?200 μ m。
8.一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)對基體表面進(jìn)行凈化、活化處理； (2)選取滿足自蔓延反應(yīng)合金要求及過渡層性能要求的粉末體系，均勻混合作為過渡層粉末； (3)將過渡層粉末烘干，并壓制成100?200μ m厚度的薄片； (4)將納米陶瓷粉與粘結(jié)劑進(jìn)行混合、烘干，最后進(jìn)行球磨分散； (5)將壓制好的過渡層粉片放置在基體上，再在過渡層粉片上依次涂覆50?200μ m厚度的納米陶瓷粉、50?200 μ m厚度的混有粘結(jié)劑的納米陶瓷粉和50?200 μ m厚度的納米陶瓷粉； (6)對基體上的粉層進(jìn)行激光掃描，在基體上同時(shí)生成過渡層和陶瓷層，得到具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述激光采用CO2激光或Nd = YAG激光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種具有夾心納米陶瓷層的涂層結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述激光的掃描功率為200?2000W,聚焦成直徑I?5mm的光斑,掃描速度0.1?3m/min。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK104388930SQ201410751142
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月10日
【發(fā)明者】高雪松, 肖猛, 張濤, 劉建濤 申請人:南京中科神光科技有限公司