熱噴涂氧化鋁–氧化釔復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱噴涂氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，屬于耐磨陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化物陶瓷材料具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等特點(diǎn)，表現(xiàn)出較好的綜合性能，作為熱噴涂涂層材料應(yīng)用于高比壓(即高PV值:P是接觸壓強(qiáng);V是摩擦速率)、高溫、富氧、強(qiáng)熱沖擊、強(qiáng)腐蝕等苛刻磨損服役工況具有較好的潛力，可以將金屬基底和氧化物陶瓷涂層的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，有望獲得良好的工程應(yīng)用。然而，氧化物陶瓷塑韌性低，裂紋敏感性強(qiáng)，制約了其應(yīng)用。以往的相關(guān)研究主要集中在提高氧化物陶瓷的強(qiáng)韌性，包括以下幾個(gè)方面:①顆粒增韌，包含韌性相金屬顆粒增韌和硬質(zhì)相陶瓷顆粒增韌。常用于氧化物陶瓷增韌的顆粒材料主要有N1、Al、Cu、SiC、TiC、TiB2等。韌性金屬相的加入，可使裂紋尖端的應(yīng)力集中得到釋放，裂尖區(qū)域相應(yīng)裂紋不容易形成，裂紋擴(kuò)展阻力增大，即材料斷裂韌性提高；硬質(zhì)陶瓷相的加入，可通過(guò)細(xì)化基體晶粒和裂紋屏蔽作用，耗散裂紋前進(jìn)動(dòng)力，達(dá)到增韌目的。其工藝簡(jiǎn)便易行，且成本低，當(dāng)顆粒的種類、尺寸、含量等參數(shù)選擇適當(dāng)，增韌效果是較為明顯的。為了達(dá)到良好的增韌效果，顆粒納米化是發(fā)展方向。②纖維(或晶須)增韌，高強(qiáng)度纖維(或晶須)作為第二相彌散分布于陶瓷基體時(shí)，通過(guò)兩種方式進(jìn)行增韌，一是使裂紋擴(kuò)展途徑出現(xiàn)拐折現(xiàn)象，從而增加斷裂能;二是當(dāng)纖維(或晶須)從基體中拉脫時(shí)，以拔出功的形式消耗部分能量，有利于阻止裂紋擴(kuò)展。常用于氧化物陶瓷增韌的纖維(或晶須)有SiC纖維(或晶須)、Si3N4晶須、碳纖維和B纖維等。③相變?cè)鲰g，它是利用四方相(t相)ZrO2馬氏體相變轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?m相)ZrO2所產(chǎn)生的體積和形狀效應(yīng)而吸收較多能量，從而使氧化物陶瓷材料表現(xiàn)出較高斷裂韌性。④成分或結(jié)構(gòu)梯度增韌，通過(guò)成分或結(jié)構(gòu)變化形成梯度材料，可基本消除宏觀界面，有效解決材料內(nèi)部性能突變，達(dá)到緩和熱應(yīng)力的目的。
[0003]熱噴涂技術(shù)以其噴涂材料范圍廣泛、基底沉積溫度范圍寬、涂層厚度可控且范圍大(幾微米至幾毫米)、工藝穩(wěn)定性好、涂層質(zhì)量可靠的優(yōu)勢(shì)成為制備陶瓷涂層的有效工藝方法，并已在航天、航空、汽車、機(jī)械、能源、冶金、石化、船舶等方面獲得廣泛的應(yīng)用。上述四種典型的陶瓷增韌方法各有其特點(diǎn)，并已在陶瓷復(fù)合塊材顯示出較好的增韌效果，但這些方法與熱噴涂工藝相結(jié)合時(shí)就體現(xiàn)出明顯的局限性，具體表現(xiàn)在:①對(duì)于陶瓷復(fù)合塊材，顆粒增韌要達(dá)到較好的增韌效果，其平均粒徑應(yīng)是亞微米級(jí)或納米級(jí)。制備熱噴涂陶瓷涂層應(yīng)用較廣泛的是等離子體噴涂工藝，等離子體噴涂是快速凝固過(guò)程。所噴涂陶瓷涂層晶粒尺寸通常在亞微米級(jí)，顆粒對(duì)復(fù)合涂層增韌效果并不明顯。若使用粒徑更小的納米顆粒進(jìn)行增韌，有望獲得較好效果。經(jīng)噴霧造粒的納米顆?？稍趶?fù)合涂層結(jié)構(gòu)中存在，但納米顆粒在涂層晶界或晶粒內(nèi)部的比例難以控制，復(fù)合涂層強(qiáng)韌性變化范圍大，力學(xué)性能重復(fù)性差，無(wú)法有效提高陶瓷涂層強(qiáng)韌性。②纖維(或晶須)增韌雖然可改善涂層的力學(xué)性能，但其長(zhǎng)徑比要大，且纖維(或晶須)要與基體之間保持適中的結(jié)合強(qiáng)度。然而，熱噴涂過(guò)程中，粒子是熔化或半熔化狀態(tài)，纖維(或晶須)的原始長(zhǎng)徑比、表面功能化處理及強(qiáng)度均難以保證。納米纖維(或晶須)摻入時(shí)，也會(huì)遇到與前述納米顆粒所面臨相類似的問(wèn)題。因此，纖維(或晶須)增韌較難與熱噴涂工藝有效結(jié)合。③添加ZrO2或Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2(YSZ)也可用來(lái)增韌陶瓷涂層。這樣所帶來(lái)的問(wèn)題是:ZrO2或YSZ的導(dǎo)熱系數(shù)低，且熱膨脹系數(shù)較大，在高溫、高比壓、強(qiáng)熱沖擊復(fù)合磨損工況條件下，很容易在涂層內(nèi)部及涂層/基底界面上累積熱應(yīng)力，應(yīng)力集中導(dǎo)致涂層微裂紋擴(kuò)展，縮短了復(fù)合陶瓷涂層耐磨壽命。④梯度涂層增韌往往需要制備較多單層進(jìn)行疊加，每一單層的厚度有限制，并需要進(jìn)行不同的成分或結(jié)構(gòu)控制，工藝很繁瑣，難以滿足實(shí)際要求，且梯度涂層整體的硬度和強(qiáng)度還不理想。
[0004]以上傳統(tǒng)陶瓷增韌手段與熱噴涂工藝相結(jié)合難以有效提高氧化物陶瓷涂層強(qiáng)韌性。在單一組分氧化物耐磨陶瓷涂層中，Ah03和Cr203涂層耐磨性能均優(yōu)于Zr02涂層。在較為苛刻的磨損工況下，Al2O3涂層的抗磨能力優(yōu)于Cr2O3涂層，這主要由于前者具有更高的導(dǎo)熱性能。因此，目前強(qiáng)韌化研究較多地針對(duì)熱噴涂Al2O3涂層，主要有:①原料顆粒納米化。采用噴霧造粒納米Al2O3顆粒為原料得到的涂層，其力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)微米級(jí)顆粒所對(duì)應(yīng)的涂層。②添加金屬相。第二相金屬(如Al、N1、Mo等)的添加提高了 Al2O3涂層的斷裂韌性和熱導(dǎo)率，表現(xiàn)出較好的耐磨性能。③固溶強(qiáng)韌。較為典型的是Al2O3-T12和Al2O3-Cr2O3體系。T12熔點(diǎn)較低，形成的固溶體及部分T12易于在Al2O3涂層晶界處聚集，可改善涂層片層內(nèi)部結(jié)合力，抑制橫向裂紋擴(kuò)展。Al2O3-Cr2O3復(fù)合涂層顯示出比單一 Al2O3涂層更好的力學(xué)、導(dǎo)熱和耐磨性能。上述改善Al2O3涂層強(qiáng)韌性研究取得了一些進(jìn)展，但仍存在一些問(wèn)題:①在苛刻磨損工況所產(chǎn)生高摩擦熱導(dǎo)致涂層納米結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定;②納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層晶界較多，對(duì)聲子散射作用大，導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降，不利于苛刻磨損工況下應(yīng)用;③添加金屬相使涂層的硬度和強(qiáng)度下降，不利于其在苛刻工況下服役，且金屬相與陶瓷基體的界面結(jié)合性能較難控制;④T12的加入使涂層高溫蠕變阻力減小，高溫力學(xué)性能下降；⑤固溶體在反復(fù)高低溫服役環(huán)境下，會(huì)出現(xiàn)重新析出現(xiàn)象，破壞了噴涂態(tài)涂層中固溶體結(jié)構(gòu)和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供了熱噴涂氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，其目的是在高比壓、高溫、富氧、強(qiáng)熱沖擊等苛刻磨損服役工況下提高陶瓷涂層的致密性、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、層間結(jié)合性能及耐磨性能，可避免以往納米結(jié)構(gòu)、金屬第二相添加、化合物固溶效應(yīng)在上述苛刻磨損條件下對(duì)陶瓷涂層性能和服役壽命所帶來(lái)的不利影響。
[0006]為了達(dá)到這個(gè)目的，本發(fā)明提供了一種氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層，所述氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層形成于金屬基材上或形成于位于金屬基材表面的應(yīng)力過(guò)渡層上，且所述氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層包括Q-Al2O3相、γ-Al2O3相、C-Y2O3相、H1-Y2O3相以及由氧化鋁和氧化釔原位生成的YxAlyOz相，所述YxAlyOz為Y3Al5O12J4Al2O9和/或YAlO3,其中α-ΑΙ2Ο3相與γ -ΑΙ2Ο3相的質(zhì)量比為1: (2?3)。
[0007]本發(fā)明提供的氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層中包括由氧化鋁和氧化釔原位生成的YxAlyOz相，該YxAlyOz相可以起到彌散增韌和強(qiáng)化相界面的作用，涂層層間界面結(jié)合較好，強(qiáng)韌性和抗熱沖擊性能獲得改善?？杀苊饧{米涂層結(jié)構(gòu)、金屬第二相添加、固溶效應(yīng)在高承載、高溫、富氧、強(qiáng)熱沖擊等苛刻磨損工況下對(duì)陶瓷涂層力學(xué)性能、微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和服役壽命所可能帶來(lái)的不利影響。且本發(fā)明的復(fù)合涂層中Q-Al2O3相的含量明顯提高，而Ct-Al2O3的熱導(dǎo)率和強(qiáng)度優(yōu)于γ-Al2O3,同時(shí)引入的Y2O3自身的導(dǎo)熱性能也較好，這將提高復(fù)合陶瓷涂層的熱導(dǎo)率，減小陶瓷涂層與金屬基材之間由于熱膨脹系數(shù)差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力，從而緩解涂層內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展，改善陶瓷涂層在苛刻磨損服役工況下的耐磨性能和有效壽命。
[0008]較佳地，所述C1-AI2O3相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9?24%。
[0009]較佳地，所述C-Y2O3相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9?29%，且m_Y203相與C-Y2O3相的質(zhì)量比為1:(3?4) ο
[0010]較佳地，所述YxAlyOz相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6?10%。
[0011]較佳地，所述氧化鋁-氧化乾復(fù)合陶瓷涂層厚度為250?500μηι。
[0012]本發(fā)明還提供了一種氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，包括:
(1)將金屬基材進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)金屬基材預(yù)噴涂表面進(jìn)行粗糙化和凈化處理；
(2)將氧化鋁粉體和氧化釔粉體經(jīng)機(jī)械混合均勻，得到的復(fù)合粉料；
(3)采用熱噴涂將(2)所得復(fù)合粉料沉積在(I)所得預(yù)處理后的金屬基材的表面，得到所述氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層;或者在沉積復(fù)合粉料之前，先在(I)所得預(yù)處理后金屬基材的表面噴涂應(yīng)力過(guò)渡層，再采用熱噴涂將(2)所得復(fù)合粉體沉積在應(yīng)力過(guò)渡層上，得到所述氧化鋁-氧化釔復(fù)合陶瓷涂層。
[0013]較佳地，所述金屬基材為不銹鋼、合金或金屬基復(fù)合材料，所述金屬基材粗糙化后的表面粗糙度Ra為5?ΙΟμ