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(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100083; 2北京金輪坤天特種機(jī)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(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院,北京100083; 2北京金輪坤天特種機(jī)械公司,北京100083)

納米涂層的研究始于20世紀(jì)90年代,納米材料和納米技術(shù)憑借其獨(dú)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(diǎn)。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(tǒng)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(qiáng),使涂層具有納米尺寸微觀結(jié)構(gòu),晶粒堆積緊密、氣孔率低且結(jié)合性能好等優(yōu)點(diǎn)[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(xué)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(jiǎn)單,適宜大規(guī)模生產(chǎn),但合成后粉末在合成后和后續(xù)的煅燒過(guò)程中易團(tuán)聚[9],需通過(guò)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(guò)程。

納米粉末不能直接用于噴涂,需經(jīng)噴霧干燥造粒及后續(xù)處理,制成微米級(jí)的團(tuán)聚體粉末。理想的熱噴涂粉末性能要求為:顆?；緸檎蛐?粒度分布均勻,流動(dòng)性及松裝密度達(dá)到一定要求。本工作通過(guò)噴霧干燥造粒、熱處理及等離子致密化處理,制得性能優(yōu)異的納米YSZ熱噴涂粉末。

1 實(shí)驗(yàn)

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(wěn)定氧化鋯粉末(8YSZ)為原料。在噴霧干燥前的制漿過(guò)程中,選取的固含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),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(shù),添加一定比例的去離子水和黏結(jié)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(jī),在進(jìn)口溫度250℃、出口溫度120℃、霧化盤轉(zhuǎn)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?zé)Y(jié)爐,對(duì)不同工藝下造粒后的粉末進(jìn)行相同工藝下的熱處理,進(jìn)一步優(yōu)化出最佳的固含量和黏結(jié)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?zé)Y(jié)處理后,粉末的流動(dòng)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(duì)造粒后粉末進(jìn)行處理,表2為等離子致密化實(shí)驗(yàn)正交方案。

表2 等離子致密化實(shí)驗(yàn)方案Table 2 Experimental p rogram of the plasma densification p rocess

1.4 性能測(cè)試

采用SNB22數(shù)字式黏度計(jì)測(cè)試漿料黏度值,采用霍爾漏斗法測(cè)試試樣流動(dòng)性及松裝密度,采用LEICA S440i掃描電鏡(SEM)觀察團(tuán)聚體粉末微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 噴霧干燥造粒實(shí)驗(yàn)

表3為各組漿料的黏度測(cè)試結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,固含量最大的2#漿料的黏度值最大,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他漿料的黏度值。同時(shí),當(dāng)固含量達(dá)到一定值后,黏度會(huì)迅速增大。文獻(xiàn)[10]研究發(fā)現(xiàn),漿料的固含量較高,黏度相應(yīng)較高,從而影響到納米粉的分散均勻性而導(dǎo)致在噴霧塔內(nèi)輸送困難,霧化時(shí)漿料粘壁且霧化后團(tuán)聚體的球形程度差。因此,在制備漿料時(shí),應(yīng)控制固含量在此臨界值之下。

表3 各組漿料黏度測(cè)試結(jié)果_____Table 3 Slurry viscosity test results in each group

表4為篩分后的各組試樣的流動(dòng)性與松裝密度測(cè)試結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,固含量最高的2#漿料制得的團(tuán)聚體流動(dòng)性、松裝密度性能最好?？梢缘贸?隨著固含量升高,粉末的流動(dòng)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(shí)心團(tuán)聚體,粉末性能越好;固含量越低,水分蒸發(fā)時(shí)造成的內(nèi)部空洞越大,粉末性能越差[10]。

表4 噴霧干燥后粉末流動(dòng)性和松裝密度測(cè)試結(jié)果Table 4 Results of flow ability test and free holding ______________density test after sp ray drying

同時(shí),對(duì)比具有相同固含量、不同黏結(jié)劑含量的1#,4#和5#粉末的流動(dòng)性與松裝密度測(cè)試結(jié)果,可以得出:當(dāng)黏結(jié)劑含量適中時(shí),團(tuán)聚體粉末表面結(jié)合良好,粉末性能提高;當(dāng)黏結(jié)劑含量較低時(shí),原始納米粉末粒子之間由于不能很好地結(jié)合在一起從而使團(tuán)聚體粉末表面粗糙,降低了流動(dòng)性;當(dāng)黏結(jié)劑含量過(guò)高時(shí),也會(huì)影響流動(dòng)性,進(jìn)而影響涂層性能。

2.2 熱處理實(shí)驗(yàn)

表5為熱處理后的各組試樣的流動(dòng)性與松裝密度測(cè)試結(jié)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(dòng)性和松裝密度測(cè)試結(jié)果Table 5 Results of flow ability test and free holding density test after heat treatment

結(jié)合表5和圖1可以看出,團(tuán)聚體粉末經(jīng)過(guò)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(jié)構(gòu),同時(shí)粉末的流動(dòng)性及松裝密度都有所改善。流動(dòng)性方面,2#與3#團(tuán)聚體粉末已滿足噴涂要求。松裝密度方面,各組團(tuán)聚體粉末均不理想,需考慮采用等離子致密化后續(xù)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(shí)驗(yàn)

等離子致密化方案采用4#團(tuán)聚體粉末為原料,即固含量為a2,黏結(jié)劑含量為b1。過(guò)高固含量會(huì)影響分散效果和漿料在膠管中的運(yùn)輸,霧化顆粒會(huì)過(guò)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(jié)劑難以完全揮發(fā),故選擇黏結(jié)劑含量最低的b1。

表6為團(tuán)聚體粉末經(jīng)不同工藝的等離子致密化處理后各組試樣的流動(dòng)性與松裝密度測(cè)試結(jié)果。圖2為團(tuán)聚體粉末經(jīng)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(dòng)性和松裝密度測(cè)試結(jié)果Table 6 Results of flow ability test and free holding density test after the p lasma densification p rocess

圖2 團(tuán)聚體粉末經(jīng)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(jié)合表6和圖2可以得出:等離子致密化后,各組樣品流動(dòng)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(tuán)聚體里納米顆粒瞬間輸入熱量越大,從而燒結(jié)效果更佳,顆粒更加緊縮致密,松裝密度隨之增大,但過(guò)高的功率條件下,多數(shù)團(tuán)聚粒子表面納米粒子會(huì)熔融,形成微米殼體包覆納米粒子結(jié)構(gòu)。綜合考慮,選擇功率較低的A組工藝,其流動(dòng)性及松裝密度也均滿足噴涂要求。

3 結(jié)論

(1)造粒時(shí),在一定范圍內(nèi),固含量越高,粉末的流動(dòng)性及松裝密度性能越好,但過(guò)高的固含量反而會(huì)影響造粒效果;在固含量一定的情況下,黏結(jié)劑含量適中的漿料造粒后團(tuán)聚體粉末的流動(dòng)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(tuán)聚體粉末性能均有所改善,但是松裝密度仍無(wú)法滿足噴涂要求。

(3)對(duì)a2固含量、b1黏結(jié)劑含量的漿料造粒后的粉末進(jìn)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(yōu)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(duì)團(tuán)聚體粉末的流動(dòng)性、松裝密度及微觀形貌進(jìn)行了測(cè)試與分析。研究發(fā)現(xiàn),固含量越高,粉末的流動(dòng)性及松裝密度性能越好,但過(guò)高的固含量反而會(huì)影響造粒效果;在固含量一定的情況下,黏結(jié)劑含量適中的漿料造粒后團(tuán)聚體粉末的流動(dòng)性更好。為了得到性能更好的團(tuán)聚體粉末,合理的后續(xù)處理方法是在電流300A,電壓40V條件下進(jìn)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(lián)系地址:北京航空航天大學(xué)新主樓B210室(100083), E2mail:huangyangwei@163.com