復(fù)合陶瓷涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于陶瓷涂層的制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層 的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅酸鋯（ZrSiO4)陶瓷材料具有較高的熔點(diǎn)（2250 °C )、低的熱導(dǎo)率[1300°C為 1. 68 (W/m · °C )]和非常低的氧離子擴(kuò)散率（在高溫下約為YSZ的1%)，這些特性使得硅酸 鋯作為高溫?zé)嵴?熱防護(hù)涂層材料具有良好的應(yīng)用前景。ZrSiO4陶瓷涂層同時(shí)具有優(yōu)異的 耐高溫抗氧化特性，能夠承受1500°C以上的高溫，且能夠保護(hù)基體不被氧化。然而在一些特 殊領(lǐng)域，例如高速飛行器上，由于氣動(dòng)加熱使材料表面溫度迅速升高，材料受熱膨脹，造成 內(nèi)部很大的熱應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋，降低材料的使用壽命。而一般陶瓷涂層導(dǎo)熱系數(shù)高，基 本起不到隔熱作用。這就需要在其表面制備復(fù)合陶瓷涂層以降低涂層的導(dǎo)熱率。
[0003] 眾所周知，涂層致密，則其抗氧化性能優(yōu)越，高溫下氧氣滲透率低。然而涂層越是 致密則其導(dǎo)熱系數(shù)越高。空隙率越大，則其導(dǎo)熱系數(shù)越低。為了兼顧涂層的抗氧化性和隔 熱性能，結(jié)合二者的優(yōu)勢，采用復(fù)合涂層是解決這一問題的有效方法。將孔隙率高的陶瓷涂 層作為內(nèi)層，因?yàn)槠淇紫堵矢?，熱阻大，?dǎo)熱系數(shù)低，故其絕熱效果好，同時(shí)其結(jié)構(gòu)疏松，涂 層不會(huì)因其熱應(yīng)力大而開裂脫落；將致密無缺陷的陶瓷涂層作為外層，起到隔絕空氣，防止 氧氣的滲透的作用，通過內(nèi)外兩層復(fù)合即可獲得一種高溫抗氧化絕熱復(fù)合陶瓷涂層。
[0004] 為了獲得孔隙率高，導(dǎo)熱系數(shù)低的內(nèi)層硅酸鋯涂層，選用熱解產(chǎn)物少，雜質(zhì)含量低 的聚乙烯醇作為造孔劑，通過控制聚乙烯醇的含量即可控制孔隙率的多少。文獻(xiàn)"等離子 噴涂制備的ZrSiO4陶瓷涂層性能的研究，朱暉朝，李福海，王楓.廣東有色金屬學(xué)報(bào)，2005， 15 (1) : 30-32"和文獻(xiàn)"大氣等離子噴涂ZrSiO4涂層的物相轉(zhuǎn)變行為，錢揚(yáng)保，張偉剛.硅 酸鹽學(xué)報(bào)，2008, 36 (8) : 1103-1108"介紹了等離子噴涂制備的ZrSiOJlg瓷涂層的性能，采 用熱噴涂所制備的ZrSiO4陶瓷涂層與基材結(jié)合良好，涂層致密，然而ZrSiO 4在等離子噴涂 過程中容易發(fā)生分解，形成ZrOjP SiO 2的兩相組織涂層，這對硅酸鋯涂層在高溫下的使用 性能將會(huì)產(chǎn)生重要影響。本發(fā)明在2^104陶瓷內(nèi)層制備過程中采用低溫預(yù)燒結(jié)，其目的是 使得內(nèi)涂層中的聚乙烯醇完全分解，形成孔洞；同時(shí)使得未反應(yīng)完全的ZrOjP SiO2與外層 中的ZrOjP SiO2共同反應(yīng)燒結(jié)，使內(nèi)外層緊密結(jié)合。本發(fā)明中最后一步熱處理目的是使在 熱噴涂過程ZrSiO4涂層中分解的ZrO 2與SiO 2以及內(nèi)層中未反應(yīng)完全的ZrO 2與SiO 2在高 溫?zé)崽幚頊囟认罗D(zhuǎn)變成穩(wěn)定的ZrSiO4涂層。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層的制 備方法，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的涂層高導(dǎo)熱，ZrSiO4分解，分層開裂等問題。該方法可 通過控制噴涂次數(shù)和熱噴涂的工藝參數(shù)來控制內(nèi)外涂層的厚度，同時(shí)通過控制添加聚乙烯 醇的比例來控制內(nèi)層的孔隙率；該方法具有簡單、靈活、高效且易于工業(yè)化應(yīng)用的特點(diǎn)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是： 一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 基體處理：使用200目，500目，800目砂紙逐次研磨至基體表面光滑平整，然后將 研磨后的基體放入蒸餾水中超聲清洗15~25min，清洗后將基體放入烘箱，在70~80°C下 烘干2~3h ; (2) 陶瓷漿料的制備：將Si02、Zr02、Mg0混合物和去離子水混合，其固含量為60%，其中 Si02、Zr02、Mg0原料粉末中，質(zhì)量比為Si02、Zr0 2、MgO = 48:61. 5:5,以氧化鋯球?yàn)槟デ?，?原料粉末和去離子水的混合物以及氧化鋯置于籃式研磨機(jī)中研磨6h，之后將聚乙烯醇溶液 加入到研磨后的混合物中，繼續(xù)研磨lh，制備成2巧丨04陶瓷料漿，其中加入的聚乙烯醇溶液 與原料粉末和去離子水的混合物的質(zhì)量比為1:10~1:2 ; (3) 料漿噴涂：將制備好的陶瓷料漿裝入空氣霧化噴槍中，使噴槍垂直于試樣表面，將 陶瓷料漿噴涂在基體的表面，形成陶瓷粉體層； (4) 試樣干燥：將制備好粉體層的試樣在室溫下放置24h ; (5) 試樣預(yù)燒結(jié)：將干燥后的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度為800°C， 燒結(jié)氣氛為N2，壓力為0· 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為0· 5~Ih ; (6) 等離子噴涂：選用ZrSiO4粉體作為熱噴涂原料，以氬氣和氫氣作為工作氣體，在預(yù) 燒結(jié)后的試樣表面通過等離子噴涂制備一層ZrSiOdh涂層； (7) 試樣熱處理：將制備好的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200~ 1500°C，燒結(jié)氣氛為N2，壓力為0· 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為1~2h ; 步驟（3)中所述Si02、Zr02、MgO原料粉末顆粒直徑為20~60 μ m，所述聚乙稀醇溶液 溶度為5~20%，所述氧化鋯球直徑為2mm，氧化鋯球和固體原料粉末的質(zhì)量比為2:1。
[0007] 和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1) 由于本發(fā)明所制備的涂層內(nèi)層多孔外層致密，故所得到的硅酸鋯涂層兼具耐高溫、 抗氧化、低熱導(dǎo)性能； 2) 由于內(nèi)外層涂層共同參與反應(yīng)，故而結(jié)合緊密； 3) 涂層厚度可控。通過控制料漿的噴涂次數(shù)和熱噴涂的工藝參數(shù)，來控制內(nèi)外涂層的 厚度； 4) 內(nèi)層涂層中的空隙含量可控； 5) 本發(fā)明解決了陶瓷涂層與基體結(jié)合由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致涂層開裂的問題。由于本發(fā)明 中內(nèi)涂層疏松多孔，故而熱應(yīng)力低，涂層在制備過程中不易開裂。
【附圖說明】
[0008] 圖1為涂層的XRD圖譜。
[0009] 圖2為涂層的截面形貌；其中[10]為基體材料，[20]為內(nèi)層ZrSiO4陶瓷涂層， [30]為外層ZrSiO4陶瓷涂層。
[0010] 圖3為涂層的外涂層表面形貌。
[0011] 圖4為涂層的內(nèi)涂層表面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià) 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定。
[0013] 實(shí)施例一 本實(shí)施例是一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，包括以下步驟： (1) 基體處理：使用200目，500目，800目砂紙逐次研磨至基體表面光滑平整，然后將 研磨后的基體放入蒸餾水中超聲清洗20min，清洗后將基體放入烘箱，在80°C下烘干2h ; (2) 陶瓷漿料的制備：將Si02、Zr02、MgO混合物和去離子水混合，其固含量為60%，其 中 Si02、Zr02、Mg0 原料粉末中，質(zhì)量比為 Si02、Zr02、Mg0 = 48:61.5:5, Si02、Zr02、Mg0 原 料粉末顆粒直徑為20~30 μ m，以氧化鋯球?yàn)槟デ?，將原料粉末和去離子水的混合物以及 氧化鋯置于籃式研磨機(jī)中研磨6h，氧化鋯球直徑為2mm，氧化鋯球和固體原料粉末的質(zhì)量 比為2:1，之后將溶度為10%聚乙烯醇溶液加入到研磨后的混合物中，繼續(xù)研磨lh，制備成 2巧丨04陶瓷料漿，其中加入的聚乙烯醇溶液與原料粉末和去離子水的混合物的質(zhì)量比為 1:5 ； (3) 料漿噴涂：首先，將制備好的陶瓷料漿裝入空氣霧化噴槍中，使噴槍垂直于試樣表 面，將陶瓷料漿噴涂在基體的表面，形成陶瓷粉體層； (4) 試樣干燥：將制備好粉體層的試樣在室溫下放置24h ; (5) 試樣預(yù)燒結(jié)：將干燥后的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度為800°C， 燒結(jié)氣氛為N2，壓力為0· 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為0· 5h ; (6) 等離子噴涂：選用ZrSiO4粉體作為熱噴涂原料，以氬氣和氫氣作為工作氣體，在預(yù) 燒結(jié)后的試樣表面通過等離子噴涂制備一層ZrSiOdh涂層； (7) 試樣熱處理：將制備好的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1500°C，燒 結(jié)氣氛為N2，壓力為0· 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為2h。
[0014] 表1不同材料陶瓷涂層熱導(dǎo)性能對比
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 基體處理：使用200目，500目，800目砂紙逐次研磨至基體表面光滑平整，然后將 研磨后的基體放入蒸餾水中超聲清洗15~25min，清洗后將基體放入烘箱，在70~80°C下 烘干2~3h ; (2) 陶瓷漿料的制備：將Si02、Zr02、Mg0混合物和去離子水混合，其固含量為60%，其中 Si0 2、Zr02、Mg0原料粉末中，質(zhì)量比為Si02、Zr02、MgO = 48:61. 5:5,以氧化鋯球?yàn)槟デ?，?原料粉末和去離子水的混合物以及氧化鋯置于籃式研磨機(jī)中研磨6h，之后將聚乙烯醇溶液 加入到研磨后的混合物中，繼續(xù)研磨lh，制備成2巧丨0 4陶瓷料漿，其中加入的聚乙烯醇溶液 與原料粉末和去離子水的混合物的質(zhì)量比為1:10~1:2 ; (3) 料漿噴涂：首先，將制備好的陶瓷料漿裝入空氣霧化噴槍中，使噴槍垂直于試樣表 面，將陶瓷料漿噴涂在基體的表面，形成陶瓷粉體層； (4) 試樣干燥：將制備好粉體層的試樣在室溫下放置24h ; (5) 試樣預(yù)燒結(jié)：將干燥后的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，預(yù)燒結(jié)溫度為800°C， 燒結(jié)氣氛為N2，壓力為0? 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為0? 5~Ih ; (6) 等離子噴涂：選用ZrSiO4粉體作為熱噴涂原料，以氬氣和氫氣作為工作氣體，在預(yù) 燒結(jié)后的試樣表面通過等離子噴涂制備一層ZrSiOdh涂層； (7) 試樣熱處理：將制備好的試樣放到氣氛燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200~ 1500°C，燒結(jié)氣氛為N2，壓力為0? 15MPa，燒結(jié)時(shí)間為1~2h。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于權(quán)利要求1中步驟（3)所述SiO 2、Zr02、Mg0 原料粉末顆粒直徑為20~60 y m ;所述聚乙烯醇溶液溶度為5~20% ;所述氧化鋯球直徑為 2_，氧化錯(cuò)球和固體原料粉末的質(zhì)量比為2:1。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層的制備方法,包括以下制備步驟：1、基體處理，2、陶瓷漿料的制備，3、料漿噴涂，4、試樣干燥，5、試樣預(yù)燒結(jié)，6、等離子噴涂，7、試樣熱處理；所制備的低熱導(dǎo)ZrSiO4復(fù)合陶瓷涂層可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的涂層高導(dǎo)熱，ZrSiO4分解，分層開裂等問題。該方法可通過控制噴涂次數(shù)和熱噴涂的工藝參數(shù)來控制內(nèi)外涂層的厚度，同時(shí)通過控制添加聚乙烯醇的比例來控制內(nèi)層的孔隙率。
【IPC分類】C04B35/16, C04B35/622
【公開號(hào)】CN105016716
【申請?zhí)枴緾N201510382454
【發(fā)明人】陳照峰, 汪洋
【申請人】蘇州宏久航空防熱材料科技有限公司
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月3日