球形納米氧化鋯粉末及其涂層材料的研究.pdf

1、納米材料在力學(xué)、熱學(xué)、摩擦學(xué)等方面具有優(yōu)良的性能，納米粉體是納米材料得以應(yīng)用的基礎(chǔ)，而納米涂層是已獲得應(yīng)用的納米材料之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)納米粉體的制備研究進(jìn)行了二十多年，但獲得分散性優(yōu)異、球形度良好且產(chǎn)率較高的納米粉體仍然是其技術(shù)難點(diǎn)之一。另外，近年國(guó)內(nèi)外均開(kāi)展了熱噴涂納米涂層的制備及性能的研究，盡管這方面的研究報(bào)道不多，但已顯示了良好的應(yīng)用前景。本論文圍繞這兩個(gè)重要課題，采用乳濁液和均勻沉淀結(jié)合法制備球形納米氧化鋯粉體，在此基礎(chǔ)上，采用大氣

2、等離子噴涂制備了納米氧化鋯涂層。鑒于目前國(guó)內(nèi)外對(duì)納米氧化鋯涂層的研究絕大多數(shù)采用納米涂層和傳統(tǒng)的微米涂層橫向比較的形式，作者在納米氧化鋯涂層的制備及性能表征等方面在納米涂層間進(jìn)行縱向比較，對(duì)于納米氧化鋯涂層作為新一代的熱障涂層而言，著重研究等離子噴涂工藝參數(shù)對(duì)納米涂層物相組成、顯微結(jié)構(gòu)和熱沖擊性能的影響：并專門就該涂層的熱學(xué)性能、摩擦學(xué)性能以及力學(xué)性能進(jìn)行了較為具體的研究，本論文的研究?jī)?nèi)容如下： (1)首次采用價(jià)格低廉的二甲苯為

3、油相，span-80為表面活性劑，以及水相含量較高的乳濁液系統(tǒng)，將草酸二甲酯、Zr(NO<,3>)<,4>和Y(NO<3>)<,3>溶入水相中，在水浴過(guò)程中使草酸二甲酯分解生成沉淀劑，使沉淀物直接在乳液包圍的水相中均勻析出形成球形顆粒，從而采用乳濁液和均勻沉淀相結(jié)合的方法制備出了具備良好分散性和較窄粒度分布的球形納米ZrO<,2>(Y<,2>O<,3>)粉末，并對(duì)該方法獲得球形納米氧化鋯粉末的機(jī)理進(jìn)行了分析。同時(shí)，為了獲得理想的粉末，在

4、充分考慮乳濁液的影響因素和均勻沉淀影響因素等的同時(shí)，在探索性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇納米氧化鋯前驅(qū)體粉末的比表面BET作為正交實(shí)驗(yàn)考察指標(biāo)，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)制粉工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其最佳工藝條件為：水相在乳濁液中的體積百分?jǐn)?shù)為20、反應(yīng)溫度是50℃、草酸二甲酯與Zr(NO<,3>)<,4>摩爾比為2∶1、活性劑在油相中的體積百分?jǐn)?shù)為7、反應(yīng)時(shí)間為3h。 (2)計(jì)算了該納米氧化鋯粉末中各相的體積分?jǐn)?shù)，即四方相為0.78，立方相為0.22，并利

5、用晶面間距公式與Bragg方程，借助XRD衍射譜求出各相的晶格常數(shù)，包括立方相的點(diǎn)陣常數(shù)a<,c>，四方相的點(diǎn)陣常數(shù)a<,t>和c<,t>及四方相的晶軸比c<,t>/a<,t>值，這些值分別為：a<,c>=0.514357nm；a<,t>=0.51067nm，c<,t>=0.51799nm，晶軸比c<,t>/a<,t>=1.01433。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算了制備粉末的密度為6.0810 g/cm<'2>，并與公式d=6/p S<,BET>(

6、該公式前提是假設(shè)顆粒呈球形)中的理論物質(zhì)密度相對(duì)比，從而從理論上說(shuō)明了采用上述方法制備的納米氧化鋯粉末具有良好的球形度。 (3)采用噴霧干燥技術(shù)制備了適合等離子噴涂的納米氧化鋯團(tuán)聚粉末，考察了該粉末的性能。在進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了等離子噴涂的影響因素及水平，根據(jù)其影響因素及水平設(shè)計(jì)了正交表，按正交表的參數(shù)利用大氣等離子噴涂技術(shù)分別制備了納米結(jié)構(gòu)氧化鋯涂層，以涂層在1100℃水淬的抗熱震壽命作為正交實(shí)驗(yàn)考察指標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)噴

7、涂工藝進(jìn)行了優(yōu)化，其優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)應(yīng)選擇如下：功率為45KW；噴涂距離為120mm；送粉率為25g/min；氬氣流量為40slpm；電流為580A；并較為系統(tǒng)地研究了噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層的顯微結(jié)構(gòu)和抗熱震性能的影響。 (4)計(jì)算了按優(yōu)化噴涂工藝參數(shù)制備的納米氧化鋯涂層中各相的體積分?jǐn)?shù)及各相的晶格常數(shù)，即四方相為0.91，立方相為0.09；另外，涂層四方相的晶格常數(shù)a<,ct>=0.51079nm，C<,ct>=0.51762n

8、m，晶軸比C<,ct>a<,ct>=1.01337；涂層內(nèi)立方相的晶格常數(shù)a<,cc>=0.51460nm；將以上數(shù)值與納米氧化鋯粉末的數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)等離子噴涂形成納米氧化鋯涂層過(guò)程中相轉(zhuǎn)變機(jī)理進(jìn)行了探索；并根據(jù)各相的晶格常數(shù)計(jì)算了該納米氧化鋯粉末及涂層中Y<,2>O<,3>的理論含量，通過(guò)與其實(shí)際含量相對(duì)比，確定了納米氧化鋯粉末及其涂層的物相組成。 (5)在按優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)成功獲得納米氧化鋯涂層的基礎(chǔ)上，對(duì)該涂層進(jìn)行

9、了如真空熱處理、封孔等后處理，采用對(duì)比分析的方式考察了涂層及其處理后的抗熱震性能和高溫氧化性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)納米氧化鋯涂層進(jìn)行封孔和真空熱處理均對(duì)其抗熱震壽命有不利的影響，封孔對(duì)納米氧化鋯涂層的抗氧化性能幫助不大，而真空熱處理不利于涂層的抗高溫氧化；另外，分析了涂層的相結(jié)構(gòu)及表面形貌，并結(jié)合熱沖擊試驗(yàn)結(jié)果闡述了涂層的抗熱震失效機(jī)理，即涂層在熱震加熱過(guò)程中，孔隙和早期存在的微裂紋附近的納米顆粒發(fā)生長(zhǎng)大，當(dāng)大部分納米顆?；蛉康募{米顆粒

10、長(zhǎng)大后，納米氧化鋯涂層相應(yīng)的轉(zhuǎn)變成準(zhǔn)微米氧化鋯涂層，隨后其熱震失效方式按傳統(tǒng)涂層的失效方式進(jìn)行；同時(shí)結(jié)合等溫氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)納米氧化鋯涂層的氧化機(jī)理進(jìn)行了分析，即納米氧化鋯涂層的氧化機(jī)理遵從Wagner氧化理論。對(duì)納米氧化鋯涂層的熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，分析了涂層及處理后涂層的熱擴(kuò)散系數(shù)的差異，同時(shí)，對(duì)熱擴(kuò)散機(jī)理進(jìn)行了分析。 (6)采用最佳噴涂工藝參數(shù)分別對(duì)兩種噴霧造粒粉末進(jìn)行等離子噴涂，制備了兩種納米氧化鋯涂層S1涂層和B1涂層，

11、對(duì)比研究了兩種涂層的顯微硬度、抗裂紋擴(kuò)展力以及結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)果表明：兩種涂層的顯微硬度測(cè)試值服從weibull分布，無(wú)論是表面還是截面的顯微硬度值，S1涂層均優(yōu)于B1涂層，兩種涂層截面的顯微硬度值均優(yōu)于其對(duì)應(yīng)表面的顯微硬度值；另外，S1涂層的抗裂紋擴(kuò)展力與結(jié)合強(qiáng)度均優(yōu)于B1涂層。 (7)對(duì)S1涂層和B1涂層摩擦學(xué)性能研究表明：兩種氧化鋯涂層的摩擦系數(shù)均隨載荷增大而減小。在較低載荷(100N)條件下，S1涂層與不銹鋼的摩擦系數(shù)低于B