[发明专利]一种制备大粒径薄壁空心球氧化锆粉末的方法及装置

说明书

本发明涉及一种制备大粒径薄壁空心球氧化锆粉末的方法及装置，属于空心粉末技术领域。烘干后的氧化锆粉末过送粉器送入等离子喷枪喷出的等离子焰流中，粉末熔化形成熔滴并沿所述粉末输送通道向下移动，控制粉末输送通道内的温度，在粉末收集器中得到一种大粒径薄壁空心球氧化锆粉末；在等离子喷枪和粉末收集器之间粉末输送通道并通过温度控制单元控制通道内的温度，在等离子喷枪、粉末输送通道和粉末收集器三者之间形成一个新的温度场，该温度场能够令氧化锆粉末在等离子球化过程中完全熔化形成空心熔滴并得以充分膨胀。熔滴在飞行过程中逐渐凝固并被粉末收集器收集，从而获得具有大粒径薄壳的空心球化氧化锆粉末。

技术领域

本发明涉及一种制备大粒径薄壁空心球氧化锆粉末的方法及装置，属于空心粉末技术领域。

背景技术

氧化锆粉末由于其自身低热导率、高强度和高熔点等优异性能，被广泛应用于航空发动机、燃气轮机和固体火箭热端部件所需的热障涂层中。氧化锆涂层作为热障涂层的表层通常由大气等离子喷涂制备，其性能决定了热障涂层性能。氧化锆涂层的微观结构和性能与喷涂工艺参数和所用粉末的性能息息相关。

用于热障涂层的氧化锆粉末从形貌上大体分为三类：熔融破碎粉、团聚烧结粉及空心球化粉。其中空心球化粉相比另外两种粉末有更多的优势：(1)空心球化粉末由于比表面积大与焰流有更大的接触面积，从而更容易在等离子焰流中熔化；(2)空心球化粉末制备的热障涂层由于微观结构具有更多扁平粒子界面比，因此涂层具有更低的热导率和更高的抗烧结性能。

根据热障涂层的制备机理，氧化锆粉末在等离子焰流中吸收的热量与其比表面积大小呈正比。因此为了用等离子喷涂低功率状态下制备热障涂层，可通过适当增大氧化锆粉末的比表面积来获得，即增大粒径降低壁厚。目前，氧化锆空心球化粉末通常由氧化锆团聚粉末通过等离子球化处理获得。如中国专利申请CN104129991A中采用纳米氧化锆通过喷雾造粒方法等到疏松多孔结构的空心球粉。又如美国专利US4450184，采用机械方式将微米或亚微米氧化钇和氧化锆粉混合，再采用喷雾干燥造粒和烧结制成粒径为10～120μm的多孔粉末，最后将粉末送入等离子或火焰喷枪产生的高温焰流中使其熔化并将粉末内的空气“捕获”，含有气泡的熔滴在冷却后形成空心球形粉末。然而上述方法制备得到的氧化锆粉末粒径增大程度和壁厚降低程度有限，仍需进一步提高空心氧化锆空心粉末的粒径并降低粉末壁厚。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种制备大粒径薄壁空心球氧化锆粉末的方法及装置。所述装置通过在等离子喷枪与粉末收集器之间的粉末输送通道上设置温度控制单元，在等离子球化过程中采用温度控制单元对粉末粒径和壁厚进行控制最终得到粒径更大、壁厚更薄的空心球氧化锆粉末。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种制备大粒径薄壁空心球氧化锆粉末的方法，所述方法步骤如下：

(1)以氧化锆粉末为原料，在120±20℃下烘干1～3小时，得到带有一定初始温度的干燥纳米氧化锆团聚粉末；

优选的，所述氧化锆粉末为纳米氧化锆团聚粉末。

(2)控制粉末输送通道内的温度为100℃～200℃；

(3)将所述氧化锆粉末通过送粉器送入等离子喷枪形成的等离子焰流中，等离子焰流出口温度高于10000℃，纳米氧化锆团粉末表面迅速熔化形成液膜，液膜捕获吸附于团聚粉末表面及内部的气体；随着氧化锆粉末逐渐由表面向中心熔化，被捕获的气体不断受热膨胀并向熔滴中心移动；

(4)随着纳米氧化锆粉末在焰流中飞行，粉末被完全熔化形成熔滴，沿所述粉末输送通道向下移动，被捕获的空气逐渐汇集到中心形成空腔，同时在表面张力、内部气体压力和环境压力的共同作用下形成空心球状，调节粉末输送通道的温度，使其温度升高并固定在300～400℃，使空心熔滴得以充分地膨胀；