等離子噴涂納米氧化鋁基陶瓷涂層制備及性能研究.pdf

1、等離子噴涂氧化鋁涂層孔隙率高、韌性差，限制了其在生產(chǎn)上的廣泛應(yīng)用。本研究提出以制備納米結(jié)構(gòu)氧化鋁基復(fù)合涂層的思路強(qiáng)韌化氧化鋁陶瓷涂層，以商用納米氧化鋁、納米氧化鈦、納米氧化鋯和納米氧化鈰為原材料，采用噴霧造粒方法重構(gòu)形成了納米團(tuán)聚粉體，隨后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)制備成可噴涂納米喂料，通過(guò)等離子噴涂技術(shù)沉積形成納米氧化鋁基陶瓷涂層。分別對(duì)粉末和涂層的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了XRD、SEM、TEM表征分析，研究了涂層制備全過(guò)程中納米晶粒演變規(guī)律，建立了各階段納

2、米晶粒生長(zhǎng)模型以及涂層形成過(guò)程模型，揭示了等離子噴涂納米氧化鋁基陶瓷涂層的結(jié)構(gòu)特征、形成機(jī)理，測(cè)試與分析了納米涂層力學(xué)性能、摩擦磨損特性。與常規(guī)微米Al2O3-13％TiO2涂層進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果表明：
　　以粉體的松裝密度和流動(dòng)性為評(píng)定依據(jù)，制備納米Al2O3-13%TiO2團(tuán)聚粉體的最佳噴霧造粒工藝參數(shù)為：粘結(jié)劑含量3%，固含量30%，干燥溫度300℃。為避免納米晶粒過(guò)度生長(zhǎng)，適宜的燒結(jié)溫度為1000℃-1100℃，進(jìn)行低功

3、率的等離子射流強(qiáng)化處理可進(jìn)一步提高喂料可噴涂性。噴涂在線監(jiān)測(cè)顯示，喂料在等離子射流中的飛行速度和表面溫度均隨噴涂功率的增大而提高。淬熄實(shí)驗(yàn)所得納米喂料晶粒生長(zhǎng)典型特征為：表層發(fā)生完全熔化重結(jié)晶后形成柱狀晶，近表層發(fā)生部分熔化形成液相燒結(jié)組織，心部未熔化形成固相燒結(jié)組織。
　　等離子噴涂納米氧化鋁基陶瓷涂層是由部分熔化區(qū)(PM)和完全熔化區(qū)(FM)構(gòu)成的具有雙態(tài)分布特征的組織結(jié)構(gòu)。FM區(qū)納米粒子主要以柱狀晶合并生長(zhǎng)，且存在納米級(jí)晶粒

4、；PM區(qū)為含未熔納米粒子的液相燒結(jié)或固相燒結(jié)組織。FM區(qū)以γ-Al2O3相為主，PM區(qū)以α-Al2O3相為主，F(xiàn)M區(qū)和PM區(qū)的比例（γ-Al2O3和α-Al2O3的相對(duì)含量）反映出涂層的熔化程度，隨著噴涂功率的增加，γ-Al2O3比例增大，涂層晶粒尺寸增加。涂層的熔化程度和平均晶粒大小可基于 XRD分析結(jié)果進(jìn)行定量計(jì)算，并通過(guò)噴涂功率大小的調(diào)整來(lái)控制，當(dāng)噴涂功率為35kW時(shí)，兩者匹配產(chǎn)生的綜合性能最佳。等離子噴涂納米Al2O3-13%T

5、iO2喂料與涂層還存在結(jié)構(gòu)遺傳性。
　　納米氧化鋁基涂層的硬度、強(qiáng)度、韌性均優(yōu)于常規(guī)涂層。納米Al2O3-13%TiO2涂層與常規(guī)涂層相比，硬度可提高24%，結(jié)合強(qiáng)度提高32%，韌性提高約1倍。CeO2和ZrO2的添加可改善納米喂料的燒結(jié)特性、涂層微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)，有助于力學(xué)性能的提升。Weibull統(tǒng)計(jì)分析表明，納米涂層的性能也表現(xiàn)出明顯的雙態(tài)分布特征：PM區(qū)硬度低、韌性好；FM區(qū)硬度高、脆性大。基于裂紋尖端屏蔽增韌，建立了等離子噴

6、涂納米Al2O3-13%TiO2涂層的增韌機(jī)理模型，分析了納米結(jié)構(gòu)發(fā)揮的增韌作用。
　　納米氧化鋁基涂層的摩擦磨損性能明顯好于常規(guī)涂層。以35kW噴涂功率制備的納米氧化鋁基涂層，在載荷為500N條件下，其摩擦系數(shù)約為常規(guī)涂層的1/2，磨損失重僅為常規(guī)涂層的1/4~1/3，CeO2和ZrO2的添加可進(jìn)一步改善納米涂層耐磨性。常規(guī)與納米涂層耐磨性能的差別在于磨損機(jī)理不同，納米Al2O3-13%TiO2涂層在低載荷下以伴有納米微粒的滾動(dòng)