/yag非晶/共晶復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種原位形成非晶/共晶復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，屬于陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高速、高載、高溫、富氧、強(qiáng)腐蝕等一種或幾種復(fù)合苛刻工況要求材料應(yīng)具有高硬度、高強(qiáng)韌性、優(yōu)異的耐高溫和抗氧化性能、耐腐蝕、良好的抗熱沖擊性能等?，F(xiàn)有單一結(jié)構(gòu)材料不能滿足以上特殊工況對(duì)其表面性能的要求。開發(fā)一種針對(duì)復(fù)合苛刻工況新的結(jié)構(gòu)材料成本較高、周期較長(zhǎng)。大量研究表明，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料(尤其是金屬材料)表面制備陶瓷涂層的方法是提高金屬基體耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗氧化等性能的重要途徑之一。
[0003]現(xiàn)有制備陶瓷涂層技術(shù)有很多種，包括:熱噴涂、激光熔覆、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、溶膠凝膠法等。傳統(tǒng)氣相沉積制備的陶瓷涂層不僅厚度偏小(最大厚度為幾微米至十幾微米)，而且工件尺寸較小;溶膠凝膠法制備的陶瓷涂層與基底結(jié)合強(qiáng)度較低;激光熔覆制備的陶瓷涂層，具有冶金結(jié)合強(qiáng)度高、組織細(xì)密、氣孔率低等特點(diǎn)，但是該工藝過(guò)程會(huì)引入較大的殘余內(nèi)應(yīng)力并可誘發(fā)金屬基體氧化或相變，產(chǎn)生工件變形和熔覆層裂紋，疲勞力學(xué)性能降低，易導(dǎo)致涂層失效。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。
[0004]氧化物陶瓷材料(如Al2O3、Cr2O3等)具有高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、耐高溫、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)腐蝕等苛刻磨損服役工況具有較好的潛力。然而，氧化物陶瓷韌性較低，裂紋敏感性強(qiáng)，制約了其應(yīng)用。以往的研究基本集中在提高熱噴涂氧化物陶瓷涂層的強(qiáng)韌性。主要方法如下:①單一氣孔率調(diào)控;②添加金屬第二相(Al、Mo等)；③添加其它化合物(ZrO2、T12等)；④涂層結(jié)構(gòu)納米化;⑤涂層成分或結(jié)構(gòu)梯度變化;⑥涂層后處理(激光重熔、強(qiáng)流脈沖電子束重熔)。
[0005]以往氧化物陶瓷涂層強(qiáng)韌性改善方法各有其特點(diǎn)，但均存在一些明顯問(wèn)題:①單一氣孔率調(diào)控效果有限;②添加金屬相可以提高涂層整體斷裂韌性，但是涂層的硬度和強(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；③ZrO2的添加可以提高涂層韌性，但同時(shí)降低了涂層的導(dǎo)熱性能，容易積聚過(guò)多熱量，產(chǎn)生較大熱失配應(yīng)力導(dǎo)致涂層開裂或剝落失效，而T12的添加降低了涂層的高溫力學(xué)性能，在高溫、高承載磨損工況下，涂層的耐磨性能及壽命明顯下降;④涂層結(jié)構(gòu)納米化可以有效提高其力學(xué)性能，但帶來(lái)的主要問(wèn)題是納米結(jié)構(gòu)涂層晶界多，聲子散射大大增強(qiáng)，導(dǎo)熱性能大幅度下降。此外，在高溫及高摩擦熱服役環(huán)境下涂層中納米晶粒容易長(zhǎng)大，微結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能不穩(wěn)定，強(qiáng)韌性改善效果下降；⑤梯度變化涂層可以緩解應(yīng)力集中，但往往會(huì)引入過(guò)多界面，結(jié)合強(qiáng)度低，易剝落失效;⑥涂層噴涂后再進(jìn)行激光或強(qiáng)流脈沖電子束重熔處理，可使涂層與基體實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，提高涂層致密性，增強(qiáng)其結(jié)合力和耐磨損、耐腐蝕等性能。但是，這種重熔過(guò)程能量很高及引發(fā)劇烈的熱力耦合作用，涂層材料易被燒損，失去噴涂材料原有的優(yōu)異性能，易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力及較多的裂紋，最終導(dǎo)致涂層性能下降，不利于其在疲勞服役工況下應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種原位形成非晶/共晶復(fù)合陶瓷涂層及其制備方法，以使其在高溫或高比壓(即高PV值)引發(fā)的高摩擦熱條件下應(yīng)用，可有效提高陶瓷涂層的致密性、力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能、微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及層間結(jié)合性能，可避免重熔后處理過(guò)程中涂層成分受熱分解、過(guò)熱燒損、引入較大殘余應(yīng)力等對(duì)涂層性能及壽命的不利影響。
[0007]一方面，本發(fā)明提供一種A1203/Y3A15012(YAG)非晶復(fù)合陶瓷涂層，所述非晶復(fù)合陶瓷涂層的主體是非晶相的Al2O3和Y3Al5O12，并在主體中彌散分布有Ct-Al2O3晶粒和Y3Al5O12晶粒，所述非晶復(fù)合陶瓷涂層中，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%?54% ,Y3Al5O12的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%
?78% ο
[0008]本發(fā)明制備的非晶復(fù)合陶瓷涂層，涂層結(jié)構(gòu)致密，氣孔率較低，層間界面結(jié)合較好，非晶相主體部分含有較多的自由體積，在變形時(shí)可以有效形成剪切帶，使其具有較高的斷裂韌性;非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的主體部分可以改善非晶復(fù)合陶瓷涂層的耐蝕性能；同時(shí)，涂層中彌散分布的少量納米晶?？梢蕴岣咄繉拥牧W(xué)性能和耐磨性能。
[0009]較佳地，所述非晶復(fù)合陶瓷涂層的厚度為50?500μπι。
[0010]另一方面，本發(fā)明提供一種A1203/YAG共晶復(fù)合陶瓷涂層，所述涂層由C1-Al2O3晶粒和Y3Al5O1^aB粒組成，所述涂層的截面形貌呈現(xiàn)出三維互穿網(wǎng)絡(luò)自鎖結(jié)構(gòu)，所述涂層中，Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%?54% ,Y3Al5O12的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46%?78%。
[0011]本發(fā)明的共晶復(fù)合陶瓷涂層中，(A1203+YAG)共晶相形成三維互穿網(wǎng)絡(luò)自鎖結(jié)構(gòu)，相尺寸很難長(zhǎng)大，具有很好的高溫微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;同時(shí)，共晶復(fù)合陶瓷涂層的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能大大提高，在高比壓、高溫、富氧、強(qiáng)腐蝕等苛刻工況下具有很好的應(yīng)用前景。
[0012]較佳地，所述共晶復(fù)合陶瓷涂層的厚度為50?500μπι。
[0013]第三方面，本發(fā)明提供上述A1203/YAG非晶復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，包括如下步驟:
(1)將Al2O3粉末和Y2O3粉末混合均勻，造粒得到A1203/Y203復(fù)合粉體，其中Al2O3粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為55%?80% ,Y2O3粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為20%?45% ；
(2)采用熱噴涂將步驟(I)制得的Α1203/Υ203復(fù)合粉體沉積于基材表面，即制得所述A1203/YAG非晶復(fù)合陶瓷涂層。
[0014]第四方面，本發(fā)明提供上述A1203/YAG共晶復(fù)合陶瓷涂層的制備方法，將根據(jù)上述A1203/YAG非晶復(fù)合陶瓷涂層的制備方法制得的A1203/YAG非晶復(fù)合陶瓷涂層在大氣條件下于950?1200°C保溫4?10小時(shí)，即制得所述A1203/YAG共晶復(fù)合陶瓷涂層。
[0015]本發(fā)明利用熱噴涂具有高熱焓、陡的溫度梯度及快速凝固的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的復(fù)合粉體組分，原位噴涂制備得到非晶復(fù)合陶瓷涂層，涂層主體部分為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，相比于激光熔覆或激光重熔獲得非晶陶瓷涂層的技術(shù)，解決了激光加工過(guò)程中，由于劇烈的熱力耦合作用產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力、涂層材料過(guò)熱燒損、基體氧化或相變，導(dǎo)致陶瓷涂層易產(chǎn)生裂紋、疲勞壽命下降的缺陷，可大大提高成品率，降低生產(chǎn)成本。
[0016]本發(fā)明對(duì)原位制備的非晶復(fù)合陶瓷涂層進(jìn)行熱處理，即可獲得共晶復(fù)合陶瓷涂層，方法簡(jiǎn)單易行。而且，制得的共晶復(fù)合陶瓷涂層涂層致密度高，氣孔率低，兩相界面結(jié)合牢固。
[0017]較佳地，步驟(I)中，將Al2O3和Y2O3粉末進(jìn)行濕法球磨混合均勻，配置成懸浮穩(wěn)定漿料后進(jìn)行噴霧造粒得到Α1203/γ203復(fù)合粉體。本發(fā)明采用噴霧造粒法制備Α1203/γ203復(fù)合粉體，該方法的優(yōu)點(diǎn)是:噴霧干燥的操作是連續(xù)的、可控的，適用于熱敏性和非熱敏性物料的干燥，適用于水溶液和有機(jī)溶劑物料的干燥，原料液可以是溶液、漿料、乳濁液、糊狀物等，具有非常大的靈活性、良好的粉體質(zhì)量穩(wěn)定性和較高的制粉效率，所制備的粉體成分均勻、物化性能好、球形度較佳。
[0018]較佳地，步驟(I)制得的Α1203/γ203復(fù)合粉體在熱噴涂之前進(jìn)行熱處理，所述熱處理的溫度為900?1200°C，熱處理時(shí)間為2?6小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明，采用熱處理對(duì)造粒得到的原始Α1203/Υ203復(fù)合粉體進(jìn)行致密化處理，以提高復(fù)合粉體的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)有效沉積。
[0019]更優(yōu)選地，所述熱處理之后進(jìn)行過(guò)篩處理，獲得復(fù)合粉體粒度分布范圍為15?45μm。根據(jù)本發(fā)明，可以獲得具有適合于熱噴涂的粒徑的復(fù)合粉體。
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