[发明专利]一种纳米陶瓷涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于陶瓷涂层技术领域，尤其涉及一种纳米陶瓷涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层是一种热导率非常低的隔热涂层，将其涂覆于高温工况条件下的部件表面，利用其隔热保护作用可降低涂层下基体金属的工作温度，提高部件的高温使用性能和使用寿命。

热障涂层材料的化学成分和显微组织是影响涂层性能的重要因素。同时，材料的导热系数也是一个关键的评价参数，材料的导热系数越低，涂层的隔热效果就越好。现阶段的研究结果表明，在众多种类的制备热障涂层的材料中，陶瓷材料(如Al₂O₃、ZrO₂等)具有更优异的隔热和耐热性能。但是采用传统陶瓷材料制备的热障涂层的隔热性能和抗热疲劳能力往往不能满足要求，研究表明微米和纳米尺寸薄膜由于传导电子的边界散射效应从而热导率随薄膜厚度的减少而降低，尤其当材料由纳米粒子组成时，其热导率大小将受边界散射的严重限制。这说明纳米级陶瓷粒子涂层在降低热导率，提高隔热性能方面与传统陶瓷涂层相比具有更大的潜力。

制备热障涂层的主要方法有电子束物理气相沉积法、激光熔敷发法、自蔓延高温燃烧合成法、等离子喷涂法等，其中等离子喷涂是把陶瓷粉末送入高温等离子火焰，呈熔融或半熔融状态高速喷向基体，以较快的冷却速度凝固在基体上，粒子呈扁饼状互相机械咬合在一起，形成涂层。其具有设备投资小，工艺相对简单，涂层和厚度易于控制，对被喷涂物件尺寸和形状限制小，工效高等优点从而成为制备纳米陶瓷涂层的主要方法。

由于纳米粒子比表面积大、表面能高、流动性差等特点，热喷涂过程中直接将纳米粉末送入等离子弧中极为困难，即使进入等离子焰流中纳米粒子也将气化或飞扬，很难沉积到基体表面形成涂层，因此纳米粉末不适合直接作为喷涂材料使用，必须再造形成大颗粒纳米团聚体粉末，而后烧结形成可喷涂的纳米喂料。目前采用喷雾干燥技术制备团聚体粉末已经较为成熟，该技术可在数秒钟内完成液体原料的浓缩、干燥、造粒，制成的团聚体粉末呈球形颗粒，流动性好，含水率低。纳米团聚体粉末不仅保持了原有纳米陶瓷粒子的成分和结构，而且由于尺寸和质量的增大，且呈球形，明显地改善了流动性，成功地解决了采用等离子喷涂技术制备纳米结构涂层过程中送粉困难的关键技术问题。

料浆制备过程中纳米粒子的长大问题是喷雾干燥技术制备纳米喂料的重点和难点，尤其是如何有效实现在烧结致密化的同时抑制纳米粒子长大是急需解决的关键问题。但是目前材料体系如ZrO₂、Al₂O₃、TiO₂、Cr₂O₃等在喂料的制备过程中容易长大，从而经过喷涂过程后无法保持原有纳米结构。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种纳米陶瓷涂层及其制备方法，该涂层解决了纳米粒子团聚和长大的问题。

本发明提供了一种纳米陶瓷涂层，包括以下成分：

CeO₂  20~30wt%；

Y₂O₃  6~9wt%；

余量为ZrO₂。

优选的，所述纳米陶瓷涂层包括：25wt%的CeO₂。

优选的，所述纳米陶瓷涂层包括：8wt%的Y₂O₃。

本发明提供了一种纳米陶瓷涂层的制备方法，包括以下步骤：

A）将CeO₂纳米粉末、Y₂O₃纳米粉末和ZrO₂纳米粉末利用喷雾造粒方法制备得到团聚体粉末；

B）将所述团聚体粉末进行等离子喷涂，得到纳米陶瓷涂层。

优选的，所述步骤A具体为：

A1）将CeO₂纳米粉末、Y₂O₃纳米粉末、ZrO₂纳米粉末和CH₂CH₂NH（PEI）在乙醇中混合并搅拌，得到混合浆液；

A2）以氮气为干燥气对所述混合浆液进行离心喷雾干燥，筛分，热处理后得到团聚体粉末，热处理的温度为800~950℃，时间为0.5~1.5h。

优选的，所述步骤A2中热处理的温度为900℃。

优选的，所述步骤A2中热处理的时间为1h。