納米YSZ熱噴涂粉末的制備及其性能

Preparation and Properties of Nano2YSZ Thermal Sp raying Pow ders

黃 威1,朱 穎1,何 箐2,汪瑞軍2

(1北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京100083; 2北京金輪坤天特種機械公司,北京100083)

納米YSZ熱噴涂粉末的制備及其性能

Preparation and Properties of Nano2YSZ Thermal Sp raying Pow ders

黃 威1,朱 穎1,何 箐2,汪瑞軍2

(1北京航空航天大學機械工程及自動化學院,北京100083; 2北京金輪坤天特種機械公司,北京100083)

納米涂層的研究始于20世紀90年代,納米材料和納米技術憑借其獨特的性能逐漸引起人們的重視,成為新一代熱障涂層材料研究的熱點。作為熱障涂層材料,納米材料在提高涂層的使用性能和使用壽命方面擁有巨大的潛力,與傳統材料相比,選用納米材料作為熱障涂層原料有隔熱性能更好,抗熱震能力更強,使涂層具有納米尺寸微觀結構,晶粒堆積緊密、氣孔率低且結合性能好等優點[1-3]。制備熱障涂層的納米YSZ粉末的制備方法主要有共沉淀法,溶膠凝膠法,水熱法,化學氣相沉積法等,以及由這些方法衍生出的一些制備方法[4-8]。其中共沉淀法工藝簡單,適宜大規模生產,但合成后粉末在合成后和后續的煅燒過程中易團聚[9],需通過球磨漿料分散納米顆粒。本文探索了共沉淀法合成納米YSZ粉末的漿料制備工藝及造粒過程。

納米粉末不能直接用于噴涂,需經噴霧干燥造粒及后續處理,制成微米級的團聚體粉末。理想的熱噴涂粉末性能要求為:顆粒基本為正球形,粒度分布均勻,流動性及松裝密度達到一定要求。本工作通過噴霧干燥造粒、熱處理及等離子致密化處理,制得性能優異的納米YSZ熱噴涂粉末。

1 實驗

1.1 噴霧干燥造粒

采用平均晶粒度為50～70nm的納米氧化釔部分穩定氧化鋯粉末(8YSZ)為原料。在噴霧干燥前的制漿過程中,選取的固含量(質量分數,下同)為45%～55%,有三種濃度,這里分別稱為a1,a2,a3(a1

按照表1中的參數,添加一定比例的去離子水和黏結劑(PVA),配成各工藝下的漿料。漿料球磨(球料比為5∶1)1h后,采用高速離心式噴霧干燥機,在進口溫度250℃、出口溫度120℃、霧化盤轉速為10000r/ min的條件下造粒。

_________Test 1#2#3#4#5#____Binder content b2 b2_____________________________________ ___b2_b1_b3 Solid content a2 a3 a1 a2 a2

1.2 熱處理

采用高溫燒結爐,對不同工藝下造粒后的粉末進行相同工藝下的熱處理,進一步優化出最佳的固含量和黏結劑含量。具體熱處理工藝為升溫速率5℃/ min,在1300℃保溫30min,隨爐冷卻。

1.3 等離子致密化

在高溫燒結處理后,粉末的流動性和松裝密度仍偏低的條件下,嘗試使用等離子致密化工藝對造粒后粉末進行處理,表2為等離子致密化實驗正交方案。

表2 等離子致密化實驗方案Table 2 Experimental p rogram of the plasma densification p rocess

1.4 性能測試

采用SNB22數字式黏度計測試漿料黏度值,采用霍爾漏斗法測試試樣流動性及松裝密度,采用LEICA S440i掃描電鏡(SEM)觀察團聚體粉末微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 噴霧干燥造粒實驗

表3為各組漿料的黏度測試結果。

實驗結果表明,固含量最大的2#漿料的黏度值最大,且遠遠超過其他漿料的黏度值。同時,當固含量達到一定值后,黏度會迅速增大。文獻[10]研究發現,漿料的固含量較高,黏度相應較高,從而影響到納米粉的分散均勻性而導致在噴霧塔內輸送困難,霧化時漿料粘壁且霧化后團聚體的球形程度差。因此,在制備漿料時,應控制固含量在此臨界值之下。

表3 各組漿料黏度測試結果_____Table 3 Slurry viscosity test results in each group

表4為篩分后的各組試樣的流動性與松裝密度測試結果。實驗結果表明,固含量最高的2#漿料制得的團聚體流動性、松裝密度性能最好?？梢缘贸?隨著固含量升高,粉末的流動性、松裝密度隨之改善。固含量越高,噴霧干燥越容易獲得近似球形的實心團聚體,粉末性能越好;固含量越低,水分蒸發時造成的內部空洞越大,粉末性能越差[10]。

表4 噴霧干燥后粉末流動性和松裝密度測試結果Table 4 Results of flow ability test and free holding ______________density test after sp ray drying

同時,對比具有相同固含量、不同黏結劑含量的1#,4#和5#粉末的流動性與松裝密度測試結果,可以得出:當黏結劑含量適中時,團聚體粉末表面結合良好,粉末性能提高;當黏結劑含量較低時,原始納米粉末粒子之間由于不能很好地結合在一起從而使團聚體粉末表面粗糙,降低了流動性;當黏結劑含量過高時,也會影響流動性,進而影響涂層性能。

2.2 熱處理實驗

表5為熱處理后的各組試樣的流動性與松裝密度測試結果。圖1為4#粉末熱處理前后的SEM照片。

表5 熱處理后粉末流動性和松裝密度測試結果Table 5 Results of flow ability test and free holding density test after heat treatment

結合表5和圖1可以看出,團聚體粉末經過熱處理后,顆粒球形度更好,晶粒度大小分布均勻,顆粒表面仍保持了致密的納米粒子結構,同時粉末的流動性及松裝密度都有所改善。流動性方面,2#與3#團聚體粉末已滿足噴涂要求。松裝密度方面,各組團聚體粉末均不理想,需考慮采用等離子致密化后續處理。

圖1 4#粉末熱處理前后的SEM照片 (a)熱處理前;(b)熱處理后;(c)圖1(b)的放大Fig.1 SEM micrographs of 4#pow ders before and after heat treatment(a)befo re;(b)after;(c)magnification of fig.1(b)

2.3 等離子致密化實驗

等離子致密化方案采用4#團聚體粉末為原料,即固含量為a2,黏結劑含量為b1。過高固含量會影響分散效果和漿料在膠管中的運輸,霧化顆粒會過多的黏附在干燥塔塔壁,故選取固含量次高、粒度適中的a2;等離子致密化原理是急劇升溫降溫,黏結劑難以完全揮發,故選擇黏結劑含量最低的b1。

表6為團聚體粉末經不同工藝的等離子致密化處理后各組試樣的流動性與松裝密度測試結果。圖2為團聚體粉末經不同工藝的等離子致密化處理后的SEM照片。

表6 等離子致密化后粉末流動性和松裝密度測試結果Table 6 Results of flow ability test and free holding density test after the p lasma densification p rocess

圖2 團聚體粉末經不同工藝的等離子致密化處理后的SEM照片(a)300A,40V;(b)350A,40V;(c)400A,40V;(d)圖2(c)的放大Fig.2 SEM micrographs of the agglomerated pow ders after different plasma densification p rocesses (a)300A,40V;(b)350A,40V;(c)400A,40V;(d)magnification of fig.2(c)

結合表6和圖2可以得出:等離子致密化后,各組樣品流動性、松裝密度均滿足噴涂要求。隨著等離子致密化功率的增大,團聚體里納米顆粒瞬間輸入熱量越大,從而燒結效果更佳,顆粒更加緊縮致密,松裝密度隨之增大,但過高的功率條件下,多數團聚粒子表面納米粒子會熔融,形成微米殼體包覆納米粒子結構。綜合考慮,選擇功率較低的A組工藝,其流動性及松裝密度也均滿足噴涂要求。

3 結論

(1)造粒時,在一定范圍內,固含量越高,粉末的流動性及松裝密度性能越好,但過高的固含量反而會影響造粒效果;在固含量一定的情況下,黏結劑含量適中的漿料造粒后團聚體粉末的流動性更好。

(2)在升溫速率5℃/min,1300℃保溫30min,隨爐冷卻的熱處理工藝下,各團聚體粉末性能均有所改善,但是松裝密度仍無法滿足噴涂要求。

(3)對a2固含量、b1黏結劑含量的漿料造粒后的粉末進行等離子化處理,各組試樣性能均滿足噴涂要求。綜合比較,最佳工藝為電流300A,電壓40V。

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HUANGWei1,ZHU Ying1,HE Jing2,WANG Rui2jun2
(1 Institute of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University,Beijing 100083,China;2 Beijing Golden W heel Special Machine Co.,L td.,Beijing 100083,China)

基于納米涂層的優異性能,研究了納米YSZ熱噴涂粉末的制備工藝。噴霧干燥造粒后,分別用霍爾漏斗法和電子掃描顯微鏡對團聚體粉末的流動性、松裝密度及微觀形貌進行了測試與分析。研究發現,固含量越高,粉末的流動性及松裝密度性能越好,但過高的固含量反而會影響造粒效果;在固含量一定的情況下,黏結劑含量適中的漿料造粒后團聚體粉末的流動性更好。為了得到性能更好的團聚體粉末,合理的后續處理方法是在電流300A,電壓40V條件下進行等離子致密化。

納米YSZ;噴霧干燥;熱處理;等離子致密化

The p reparation p rocess of nano2YSZ thermal sp raying pow ders w as investigated on the ex2 cellent performance of nano coating.The agglomerated pow ders w ere p repared by sp ray2drying.The flow ability,free holding density and microstructure of agglomerated pow ders were tested and ana2 lyzed by Hall funnelmethod and scanning electronmicroscopic respectively.The result show s that the higher solid content is,the better flow ability and free holding density of pow ders they w ill be.How2 ever,an overhigh solid contentw ill affect the granulation results.M aintaining a solid content,flow a2 bility of pow ders is better w ith moderate binder content.To gain the agglomerated pow ders of better p roperties,the op timum follow2up p rocess is the p lasma densification p rocess w ith current 300A and voltage 40V.

nano2YSZ;sp ray2drying;heat treating;p lasma densification p rocess

TF123.73

A

100124381(2010)1020086203

2010206220;

2010207215

黃威(1987—),男,碩士,主要從事熱噴涂粉末的制備與涂層性能的研究,聯系地址:北京航空航天大學新主樓B210室(100083), E2mail:huangyangwei@163.com