大颗粒球形纳米氧化物陶瓷粉末的研究
蒋显亮 林锋 徐炫
2003中国国际热喷涂技术研讨会暨第十六届全国热喷涂技术经验交流会
摘要：采用搅拌制浆、离心噗雾干燥和热处理方法，分别将A1203·13％Ti02、Zr02-8％Y203、Cr203常规纳米粉末割备成大颗粒团聚体粉末．用搦描电镜观察粉末的微观形貌，用x-射线衍射分辑耪寒的麴缀成，用热重．差热分撬磷究羚寒睫湿度戆变化过怒，并溯量羧寒的流动蛙、松装密度和振实密度。实验结果表明：喷雾干燥后粉朱颗粒尺寸为10．100um。基本上为球形，流动性大大提高。经进一步熟处理詹，大颗粒内部纳米小鬏粒有微弱连羧，大鬏粒之闽并无连接，粉米适用予热等凑予体喷涂。
关键词：氧化锱、氧化锆、氧化铬、纳米结构粉末、热喷涂
一、引言
氧化物陶瓷由于熔点高、稳定性好、导熟导电率低、耐蘑耐蚀能力强，在热喷涂材料中占有一定份额，用热等离子体喷涂方法制各出来的涂层在靛天航空、纯王、冶金、纺织、印刷等领域已得到广泛使用。然而，．常规微米结构陶瓷涂层由片状结构组成，脆性太，在使翔过程中容易开裂、涮落，服役寿命缩短。当陶瓷涂屡具有纳米结构时，韧性提高，脆性大大降低。研究表明：A12。3用02纳米结构涂层能够经受一定的弯曲和冲前而不与基体剥裂，Zr02／Y203涂层由于纳米结构的存在丽保持了陶瓷涂屡懿整体性，Cr203纳寒结构涂屡毳霉蘑性也有掰提高，进一步研究发现：纳米团聚体粉末经等离子体喷涂后，涂层中形成了纳米结构——微米结构复合组织，在外界应力作用下，纳米小颗粒可以发生移动，从而使应力释放，裂纹不至予立即形成并扩展，陶瓷涂层韧性改善。本文对热喷涂用A1203。13％T102、Zr02．8％Y203、CF203纳米团聚体粉末性能进行研究，为制备高性能耐磨、耐蚀和熬障涂层提供优质原料。
二、实验过程
A1203、Zr02、Cr203纳米粉末分裂献由东歪元缡来材料工程有疆公司、溺乾依斯特有限责任公司、安徽华冶高科技工程公司购买，这些原始纳米粉末是采用水溶液法制备的。Ai203．13％T102、Zr02-8％Y203、Cr203浆料和大颗粒团聚体粉末的制各是在湖南嚣富瑞材料有限责任公司进行的，粉寒的热处理和检测是在中南大学完成的。浆料制造时，纳米粉末的固含量在15*／0．-40％之间，有机粘结剂含量在1*／o-8％之间。喷雾平燥采翔离心式，离心马达转速在30000-15000rpm，啜料速率10．30L／h之闯。粉末的热处理温度范围在900．1300"(2。粉末微观形貌由X-650扫描电镜戏察，棚组成分析在D500X-射线衍射仪上进行，采用CuK。线，速率为l。／min。粉末流动性和松装密度在FIA—l仪器上测量，霍尔流量计内孔径为2．5mm，振实密度测量在FZS4．4仪器上进行，振实次数为3000。
三、实验结果与分析
1．粉末形貌
原始纳米粉末为不规则的软团聚体，纳米颗粒平均直径一般在100．300rim之间，如图1的A1203粉末所示。这种软团聚体可以经过球磨或超声波处理分散开。由于原始纳米粉末中的软团聚，使得原始纳米粉末的流动性极差，在热喷涂时无法通过送粉器输入到等离子体中去，另外，由于单个纳米颗粒的微小质量，在热喷涂时单个纳米颗粒无法沉积到基体上形成涂层。因此，这种原始纳米粉末必须经过再处理，以形成流动性好的大颗粒粉末，并使大颗粒仍然具有纳米结构。
经过喷雾干燥和热处理后的A1203-13％Ti02、CF203、Zr02．8％Y203、纳米团聚体粉末形貌分别如图2、图3、图4所示。可以看出，粉末基本上由球形或近似球形颗粒组成，在zr02／Y203粉末中还可见到部分炸面圈颗粒。团聚体粉末颗粒直径在10．100um之间。喷雾干燥制得的纳米团聚体粉末经热处理后，形貌并没有发生明显变化，颗粒表面稍微变得粗糙，在高倍下观察时发现：纳米小颗粒有一些连接，但无明显长大现象，仍保持纳米结构，如图5所示。由于一个几十微米的纳米颗粒团聚体由成千上万的单个纳米小颗粒组成，单个颗粒质量大大提高，在等离子体喷涂过程中，这些颗粒便能够像正常的微米级粉末颗粒一样，进入粘性等离子体中，经加热撞击基体后，便可在基体上沉积下来形成涂层。
2．粉末相组成
原始纳米粉末和热处理后的大颗粒球形纳米团聚体粉末的X射线衍射分析结果表明：原始纳米粉末经过制浆、喷雾干燥和热处理后，相组成没有发生明显改变。如图6(a)(b)所示，Zr02．8％Y203粉末均为单斜相和立方相两相组成。同样，A1203．13％Ti02粉末仍由Y
相A1203和金红石相Ti02组成，Cr203粉末仍为单相组成。喷雾干燥后Zr02．8％Y203纳米团聚体粉末的热重——差热分析如图7所示。从热重分析(TGA)曲线可以看出：在100．12左右，粉末质量有一次明显降低，这是由于粉末中的残余水分蒸发造成的。随着温度的升高，在250℃左右，粉末质量又一次显著降低，说明粉末中的有机粘结剂开始分解，直到460℃左右，有机粘结剂分解完毕，碳燃烧完成。同样，从差热分析(DTA)曲线上也可以看出，在250℃左右，有一个显著的吸热峰，证实了有机粘结剂开始分解并吸收热量，在345℃出现一个较大的放热峰，说明此过程碳燃烧放出热量。
3．粉末性能
原始纳米粉末和热处理后大颗粒球形纳米团聚体粉末的松装密度、振实密度和流动性如表l所示，可以看出：原始纳米粉末的流动性极差，不能测量。原始纳米粉末经喷雾干燥造粒和随后热处理，流动性大大提高。尽管松装密度和振实密度并没有明显改变，但是流动性的提高和单个颗粒质量的增大，粉末完全可以满足热喷涂的要求。
四、结论
原始氧化物纳米粉末经过制浆、喷雾干燥和热处理后，颗粒尺寸变为10．100um，形貌为球形或近似球形，但相组成并没有发生改变。这种大颗粒为纳米小颗粒团聚体，纳米小颗粒之间有微弱连接，但无明显长大现象。大颗粒球形粉末的流动性比原始纳米粉末大大提高，适用于热等离子体喷涂制备涂层。
图表略
参考文献 略
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