纳米YSZ热喷涂粉末的制备及其性能
黄 威,朱 颖,何 箐,汪瑞军
材料工程
摘要:基于纳米涂层的优异性能,研究了纳米YSZ热喷涂粉末的制备工艺。喷雾干燥造粒后,分别用霍尔漏斗法和电子扫描显微镜对团聚体粉末的流动性、松装密度及微观形貌进行了测试与分析。研究发现,固含量越高,粉末的流动性及松装密度性能越好,但过高的固含量反而会影响造粒效果;在固含量一定的情况下,黏结剂含量适中的浆料造粒后团聚体粉末的流动性更好。为了得到性能更好的团聚体粉末,合理的后续处理方法是在电流300A,电压40V条件下进行等离子致密化。
关键词:纳米YSZ;喷雾干燥;热处理;等离子致密化；热喷涂粉末
纳米涂层的研究始于20世纪90年代,纳米材料和纳米技术凭借其独特的性能逐渐引起人们的重视,成为新一代热障涂层材料研究的热点。作为热障涂层材料,纳米材料在提高涂层的使用性能和使用寿命方面拥有巨大的潜力,与传统材料相比,选用纳米材料作为热障涂层原料有隔热性能更好,抗热震能力更强,使涂层具有纳米尺寸微观结构,晶粒堆积紧密、气孔率低且结合性能好等优点[1-3]。制备热障涂层的纳米YSZ粉末的制备方法主要有共沉淀法,溶胶凝胶法,水热法,化学气相沉积法等,以及由这些方法衍生出的一些制备方法[4-8]。其中共沉淀法工艺简单,适宜大规模生产,但合成后粉末在合成后和后续的煅烧过程中易团聚[9],需通过球磨浆料分散纳米颗粒。本文探索了共沉淀法合成纳米YSZ粉末的浆料制备工艺及造粒过程。
纳米粉末不能直接用于喷涂,需经喷雾干燥造粒及后续处理,制成微米级的团聚体粉末。理想的热喷涂粉末性能要求为:颗粒基本为正球形,粒度分布均匀,流动性及松装密度达到一定要求。本工作通过喷雾干燥造粒、热处理及等离子致密化处理,制得性能优异的纳米YSZ热喷涂粉末。
1 实验
1.1 喷雾干燥造粒
采用平均晶粒度为50~70nm的纳米氧化钇部分稳定氧化锆粉末(8YSZ)为原料。在喷雾干燥前的制浆过程中,选取的固含量(质量分数,下同)为45%~55%,有三种浓度,这里分别称为a1,a2,a3(a1<a2<a3);另外,黏结剂含量选取确定在0.25%~1%,也有三种浓度,这里分别称为b1,b2,b3(b1<b2<b3)。按照表1中的参数,添加一定比例的去离子水和黏结剂(PVA),配成各工艺下的浆料。浆料球磨(球料比为5∶1)1h后,采用高速离心式喷雾干燥机,在进口温度250℃、出口温度120℃、雾化盘转速为10000r/min的条件下造粒。
1.2 热处理
采用高温烧结炉,对不同工艺下造粒后的粉末进行相同工艺下的热处理,进一步优化出最佳的固含量和黏结剂含量。具体热处理工艺为升温速率5℃/min,在1300℃保温30min,随炉冷却。
1.3 等离子致密化
在高温烧结处理后,粉末的流动性和松装密度仍偏低的条件下,尝试使用等离子致密化工艺对造粒后粉末进行处理,表2为等离子致密化实验正交方案。
1.4 性能测试
采用SNB-2数字式黏度计测试浆料黏度值,采用霍尔漏斗法测试试样流动性及松装密度,采用LEICAS440i扫描电镜(SEM)观察团聚体粉末微观形貌。
2 结果与讨论
2.1 喷雾干燥造粒实验
表3为各组浆料的黏度测试结果。实验结果表明,固含量最大的2#浆料的黏度值最大,且远远超过其他浆料的黏度值。同时,当固含量达到一定值后,黏度会迅速增大。文献[10]研究发现,浆料的固含量较高,黏度相应较高,从而影响到纳米粉的分散均匀性而导致在喷雾塔内输送困难,雾化时浆料粘壁且雾化后团聚体的球形程度差。因此,在制备浆料时,应控制固含量在此临界值之下。
表4为筛分后的各组试样的流动性与松装密度测试结果。实验结果表明,固含量最高的2#浆料制得的团聚体流动性、松装密度性能最好。可以得出,随着固含量升高,粉末的流动性、松装密度随之改善。固含量越高,喷雾干燥越容易获得近似球形的实心团聚体,粉末性能越好;固含量越低,水分蒸发时造成的内部空洞越大,粉末性能越差[10]。
同时,对比具有相同固含量、不同黏结剂含量的1#,4#和5#粉末的流动性与松装密度测试结果,可以得出:当黏结剂含量适中时,团聚体粉末表面结合良好,粉末性能提高;当黏结剂含量较低时,原始纳米粉末粒子之间由于不能很好地结合在一起从而使团聚体粉末表面粗糙,降低了流动性;当黏结剂含量过高时,也会影响流动性,进而影响涂层性能。
2.2 热处理实验
表5为热处理后的各组试样的流动性与松装密度测试结果。图1为4#粉末热处理前后的SEM照片。结合表5和图1可以看出,团聚体粉末经过热处理后,颗粒球形度更好,晶粒度大小分布均匀,颗粒表面仍保持了致密的纳米粒子结构,同时粉末的流动性及松装密度都有所改善。流动性方面,2#与3#团聚体粉末已满足喷涂要求。松装密度方面,各组团聚体粉末均不理想,需考虑采用等离子致密化后续处理。
2.3 等离子致密化实验
等离子致密化方案采用4#团聚体粉末为原料,即固含量为a2,黏结剂含量为b1。过高固含量会影响分散效果和浆料在胶管中的运输,雾化颗粒会过多的黏附在干燥塔塔壁,故选取固含量次高、粒度适中的a2;等离子致密化原理是急剧升温降温,黏结剂难以完全挥发,故选择黏结剂含量最低的b1。
表6为团聚体粉末经不同工艺的等离子致密化处理后各组试样的流动性与松装密度测试结果。图2为团聚体粉末经不同工艺的等离子致密化处理后的SEM照片。
结合表6和图2可以得出:等离子致密化后,各组样品流动性、松装密度均满足喷涂要求。随着等离子致密化功率的增大,团聚体里纳米颗粒瞬间输入热量越大,从而烧结效果更佳,颗粒更加紧缩致密,松装密度随之增大,但过高的功率条件下,多数团聚粒子表面纳米粒子会熔融,形成微米壳体包覆纳米粒子结构。综合考虑,选择功率较低的A组工艺,其流动性及松装密度也均满足喷涂要求。
3 结论
(1)造粒时,在一定范围内,固含量越高,粉末的流动性及松装密度性能越好,但过高的固含量反而会影响造粒效果;在固含量一定的情况下,黏结剂含量适中的浆料造粒后团聚体粉末的流动性更好。
(2)在升温速率5℃/min,1300℃保温30min,随炉冷却的热处理工艺下,各团聚体粉末性能均有所改善,但是松装密度仍无法满足喷涂要求。
(3)对a2固含量、b1黏结剂含量的浆料造粒后的粉末进行等离子化处理,各组试样性能均满足喷涂要求。综合比较,最佳工艺为电流300A,电压40V。
参考文献略
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