專利名稱：仿生結(jié)構(gòu)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)成型的仿生結(jié)構(gòu)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)：
熱噴涂在金屬基體上沉積傳統(tǒng)微米級陶瓷及其復(fù)合陶瓷粉體以制備耐磨、耐蝕、耐高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、抗熱輻射、超導(dǎo)和生物功能等各種特性的表面強(qiáng)化陶瓷及其復(fù)合涂層，因而在航空航天、能源、電子、汽車、機(jī)械制造、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用，并產(chǎn)生了較高的經(jīng)濟(jì)、社會和安全效益。目前制備的熱噴涂陶瓷涂層常常導(dǎo)致零部件的失效，其中一個(gè)主要原因在于陶瓷材料的本征脆性，使得陶瓷涂層的韌性、抗機(jī)械及熱沖擊性能差，這是導(dǎo)致陶瓷材料失效的最為本質(zhì)的原因。而熱噴涂用粉體是決定陶瓷涂層性能的關(guān)鍵要素。由于傳統(tǒng)微米級陶瓷粉體顆粒由于傳熱率高，并且在噴涂或熔覆時(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，因此涂層內(nèi)部的強(qiáng)度和韌性差，易導(dǎo)致陶瓷涂層易剝落和開裂，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。為了制備能提高涂層的優(yōu)質(zhì)粉體，許多人對此進(jìn)行了多方面的研究，新型粉體的研究主要體現(xiàn)在納米粉體的制備和應(yīng)用上。
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。但是該專利僅涉及的是團(tuán)聚粉體的制備方法，而且經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，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。

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，提供一種仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，使所得到的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體可直接應(yīng)用于熱噴涂、激光熔覆和燒結(jié)，且制備的熱噴涂層、激光熔覆層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)韌性和高的高溫性能、優(yōu)良的抗熱沖擊性能、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)明首先確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和材料，然后將制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷粉體心部材料(團(tuán)聚粉體)經(jīng)過熱處理工藝處理，再將心部材料和外包覆材料按重量百分比進(jìn)行混合，通過球磨工藝進(jìn)行機(jī)械化學(xué)表面改性，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(?？?結(jié)構(gòu)，最后將通過球磨制備的粉體通過等離子體球形化及致密化處理，完成仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備。
以下對本發(fā)明的制備方法作進(jìn)一步的說明，具體內(nèi)容如下(1)確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和材料●確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)根據(jù)天然生物?？膹?qiáng)韌化機(jī)理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)熱噴涂過程及激光熔覆過程中粉體的局部熔化，減少涂層中的亞穩(wěn)相的生成和殘余應(yīng)力，提高涂層的強(qiáng)度和韌性，將仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體設(shè)計(jì)為類?？锏膴A心面包式結(jié)構(gòu)，其心部為相對高熔點(diǎn)的陶瓷或復(fù)合材料制備的團(tuán)聚顆?；驘Y(jié)顆粒，外包覆相對低熔點(diǎn)的陶瓷或自粘結(jié)性金屬復(fù)合粉體。
●確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的材料根據(jù)熱噴涂射流特性和仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)心部材料主要由氧化鋁、氧化釔或氧化鍶穩(wěn)定的氧化鋯、碳化硅、氮化硅中的一種或多種成分組成時(shí)，外包覆的材料為亞微米或納米氧化鋁、氧化鈦、或金屬復(fù)合材料(Ni/Al、NiCrAl、NiCrAlY、Co等的一種)；當(dāng)心部材料為鈷包碳化鎢或鎳鉻碳化鉻中的一種時(shí)，外部包覆材料為超細(xì)級的Co、Ni/Al中的一種。
(2)將制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷粉體心部團(tuán)聚粉體經(jīng)過熱處理工藝處理通過熱處理工藝處理，除去團(tuán)聚粉體內(nèi)部的分散劑、粘結(jié)劑、消泡劑等有機(jī)成分和剩余的水分，實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚粉體內(nèi)部的緊密結(jié)合，并保持其原始顆粒的尺度和形狀。所用的熱處理設(shè)備選用井式、箱式電阻爐或燒結(jié)爐。根據(jù)不同的粉體性質(zhì)，其熱處理溫度介于400～1400℃之間。
(3)將心部材料和外包覆材料按重量百分比進(jìn)行混合，通過球磨進(jìn)行機(jī)械化學(xué)表面改性，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(海葵)結(jié)構(gòu)將心部用材料和外包覆用材料按重量比混合后，利用高速球磨、振動(dòng)球磨或攪拌磨中的任一種設(shè)備進(jìn)行濕法球磨，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合材料的仿生結(jié)構(gòu)。選用氧化鋯、氧化鋁或瑪瑙球中的一種作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑介于3毫米～5毫米之間。，以去離子水作為溶劑，瑪瑙球、氧化鋁球、氧化鋯球、碳化物球等作為球磨介質(zhì)，固相的質(zhì)量濃度在45～60％之間，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶3～5。
首先將球磨介質(zhì)裝入球磨機(jī)中，按比例倒入制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷用的心部材料和包覆材料，配加相應(yīng)磨料濃度的去離子水，進(jìn)行細(xì)磨2～4小時(shí)，而后經(jīng)真空抽濾、洗滌和烘干制備成干燥粉體。
(4)將通過球磨制備的粉體通過等離子體球形化及致密化處理采用等離子體球化裝置，對機(jī)械化學(xué)法制備的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(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20～40KW，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?～5kg/h。通過處理，實(shí)現(xiàn)仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體內(nèi)部的致密化及冶金結(jié)合，保證各相之間的均勻分布，使仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體更進(jìn)一步球形，增強(qiáng)其流動(dòng)性，從而完成仿生(海葵)結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備過程。
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)，制備的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體具有天然生物海葵結(jié)構(gòu)的特征，心部為燒結(jié)型或團(tuán)聚型陶瓷及其復(fù)合材料組成的顆粒，外包覆亞微米級或納米級的氧化物材料、具有自粘結(jié)性特征的金屬復(fù)合材料，粒度分布在5～100微米，形狀為球形或近球形結(jié)構(gòu)；所得到的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體內(nèi)部各組份之間結(jié)合緊密，流動(dòng)性好，具有良好的輸送特性，可直接應(yīng)用于熱噴涂、激光熔覆和燒結(jié)，且制備的熱噴涂層、激光熔覆層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)韌性和高的高溫性能、優(yōu)良的抗熱沖擊性能、耐磨性，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仿生(海葵)結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2/TiO2陶瓷復(fù)合粉體的制備方法首先，利用井式電阻爐對將Al2O3-TiO2團(tuán)聚粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度為800℃；其次，將熱處理后的Al2O3-TiO2團(tuán)聚粉與納米TiO2按重量比97∶3混合，利用攪拌磨進(jìn)行濕法球磨2h，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(?？?結(jié)構(gòu)。選用瑪瑙球作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑3毫米。以去離子水作為溶劑，固相的質(zhì)量濃度在45％，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶3，攪拌磨轉(zhuǎn)速為700r/min。然后將機(jī)械化學(xué)法獲得的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(jìn)行致密化和球形化處理，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。以此完成了仿生(?？?結(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2/TiO2陶瓷復(fù)合粉體的制備過程。制備出仿?？Y(jié)構(gòu)Al2O3-TiO2/TiO2陶瓷復(fù)合粉體特征為心部為Al2O3-TiO2團(tuán)聚顆粒，外包覆納米TiO2，粉體顆粒粒徑分布為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2仿生(海葵)結(jié)構(gòu)ZrO2/NiCrAlY陶瓷復(fù)合粉體的制備方法首先，將ZrO2與NiCrAlY金屬復(fù)合粉末按重量百分比為85∶15混合，利用攪拌磨進(jìn)行濕法球磨4h，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(?？?結(jié)構(gòu)。選用瑪瑙球作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑5毫米。以去離子水作為溶劑，固相的質(zhì)量濃度在50％，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶5，攪拌磨轉(zhuǎn)速為1000r/min。然后將機(jī)械化學(xué)法獲得的仿生(海葵)結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(jìn)行致密化和球形化處理，等離子發(fā)生器功率為36KW，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。以此完成了仿生(?？?結(jié)構(gòu)ZrO2/NiCrAlY陶瓷復(fù)合粉體的制備過程。制備出仿?？Y(jié)構(gòu)ZrO2/NiCrAlY陶瓷復(fù)合粉體特征為心部為Y2O3穩(wěn)定的ZrO2顆粒，外包覆超細(xì)NiCrAlY金屬復(fù)合粉末，粉體顆粒粒徑分布為10～85微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3仿生(?？?結(jié)構(gòu)SiC-Al2O3/Al2O3陶瓷復(fù)合粉體的制備方法首先，利用井式電阻爐對將SiC-Al2O3團(tuán)聚粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度為1400℃；其次，將熱處理后的SiC-Al2O3團(tuán)聚粉與納米Al2O3按重量比95∶5混合，利用攪拌磨進(jìn)行濕法球磨5h，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(?？?結(jié)構(gòu)。選用瑪瑙球作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑3毫米。以去離子水作為溶劑，固相的質(zhì)量濃度在60％，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶3，攪拌磨轉(zhuǎn)速為700r/min。然后將機(jī)械化學(xué)法獲得的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(jìn)行致密化和球形化處理，等離子發(fā)生器功率為35KW，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。以此完成了仿生(?？?結(jié)構(gòu)SiC-Al2O3/Al2O3陶瓷復(fù)合粉體的制備過程。制備出仿海葵結(jié)構(gòu)SiC-Al2O3/Al2O3陶瓷復(fù)合粉體特征為心部為SiC-Al2O3團(tuán)聚顆粒，外包覆超細(xì)級Al2O3粉體，粉體顆粒粒徑分布為10～100微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例5仿生(海葵)結(jié)構(gòu)WC-12Co/Ni/Al陶瓷復(fù)合粉體的制備方法首先，利用井式電阻爐對將WC-12Co團(tuán)聚粉體進(jìn)行熱處理，其熱處理溫度為400℃；其次，將熱處理后的WC-12Co團(tuán)聚粉與納米/Ni/Al按重量比95∶5混合，利用攪拌磨進(jìn)行濕法球磨2h，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生(海葵)結(jié)構(gòu)。選用瑪瑙球作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑3毫米。以去離子水作為溶劑，固相的質(zhì)量濃度在50％，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶3，攪拌磨轉(zhuǎn)速為700r/min。然后將機(jī)械化學(xué)法獲得的仿生(?？?結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(jìn)行致密化和球形化處理，等離子發(fā)生器功率為20KW，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。以此完成了仿生(海葵)結(jié)構(gòu)WC-12Co/Ni/A陶瓷復(fù)合粉體的制備過程。制備出仿?？Y(jié)構(gòu)WC-12Co/Ni/Al陶瓷復(fù)合粉體特征為心部為WC-12Co團(tuán)聚顆粒，外包覆超細(xì)級Ni/Al粉體，粉體顆粒粒徑分布為10～90微米之間，為實(shí)心的球形或近球形結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征在于，首先確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和材料，然后將制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷粉體心部材料團(tuán)聚粉體經(jīng)過熱處理工藝處理，再將心部材料和外包覆材料進(jìn)行混合，通過球磨工藝進(jìn)行機(jī)械化學(xué)表面改性，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生?？Y(jié)構(gòu)，最后將通過球磨制備的粉體通過等離子體球形化及致密化處理，完成仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體為類?？锏膴A心面包式結(jié)構(gòu)，其心部為相對高熔點(diǎn)的陶瓷或復(fù)合材料制備的團(tuán)聚顆?；驘Y(jié)顆粒，外包覆相對低熔點(diǎn)的陶瓷或自粘結(jié)性金屬復(fù)合粉體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體，當(dāng)心部材料主要由氧化鋁、氧化釔或氧化鍶穩(wěn)定的氧化鋯、碳化硅、氮化硅中的一種或多種成分組成時(shí)，外包覆的材料為亞微米或納米氧化鋁、氧化鈦、或金屬復(fù)合材料Ni/Al、NiCrAl、NiCrAlY、Co中的一種，當(dāng)心部材料為鈷包碳化鎢或鎳鉻碳化鉻中的一種時(shí)，外部包覆材料為超細(xì)級的Co、Ni/Al中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的熱處理工藝處理是指，通過熱處理工藝處理，除去團(tuán)聚粉體內(nèi)部的分散劑、粘結(jié)劑、消泡劑有機(jī)成分和剩余的水分，實(shí)現(xiàn)團(tuán)聚粉體內(nèi)部的緊密結(jié)合，并保持其原始顆粒的尺度和形狀，所用的熱處理設(shè)備選用井式、箱式電阻爐或燒結(jié)爐，熱處理溫度為400～1400℃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的球磨工藝是指，將心部用材料和外包覆材料混合后，采用高速球磨、振動(dòng)球磨或攪拌磨中的任一種設(shè)備進(jìn)行濕法球磨，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合材料的仿生結(jié)構(gòu)，選用氧化鋯、氧化鋁或瑪瑙球中的一種作為球磨介質(zhì)，其中球的直徑介于3毫米～5毫米之間，以去離子水作為溶劑，瑪瑙球、氧化鋁球、氧化鋯球、碳化物球作為球磨介質(zhì)，固相的質(zhì)量濃度在45～60％之間，固相和球磨介質(zhì)的重量比約為1∶3～5，首先將球磨介質(zhì)裝入球磨機(jī)中，倒入制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷用的心部材料和包覆材料，配加相應(yīng)磨料濃度的去離子水，進(jìn)行細(xì)磨2～4小時(shí)，而后經(jīng)真空抽濾、洗滌和烘干制備成干燥粉體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，其特征是，所述的等離子體球形化及致密化處理是指，采用等離子體球化裝置，對機(jī)械化學(xué)法制備的仿生?？Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體進(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20～40KW，用氬氣加少量的氫氣作為等離子體載氣，送粉氣體為氮?dú)猓头鬯俾蕿?～5kg/h，通過處理，實(shí)現(xiàn)仿生?？Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體內(nèi)部的致密化及冶金結(jié)合，完成仿生?？Y(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備。
全文摘要
一種仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備方法，屬于陶瓷材料領(lǐng)域。本發(fā)明首先確定仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的結(jié)構(gòu)和材料，然后將制備仿生結(jié)構(gòu)陶瓷粉體心部材料團(tuán)聚粉體經(jīng)過熱處理工藝處理，再將心部材料和外包覆材料進(jìn)行混合，通過球磨進(jìn)行機(jī)械化學(xué)表面改性，實(shí)現(xiàn)陶瓷復(fù)合粉體的仿生海葵結(jié)構(gòu)，最后將通過球磨制備的粉體通過等離子體球形化及致密化處理，完成仿生結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體的制備。本發(fā)明所得到的仿生海葵結(jié)構(gòu)陶瓷復(fù)合粉體可直接應(yīng)用于熱噴涂、激光熔覆和燒結(jié)，且制備的熱噴涂層、激光熔覆層及燒結(jié)體具有高的強(qiáng)韌性和高的高溫性能、優(yōu)良的抗熱沖擊性能、耐磨性，因而具有極大的市場應(yīng)用前景。
文檔編號C23C4/04GK1462732SQ0312939
公開日2003年12月24日 申請日期2003年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月19日
發(fā)明者孫寶德, 翟長生, 王俊, 巫瑞智, 陳海 申請人:上海交通大學(xué)