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。國內(nèi)外對納米粉體的制備研究進行了二十多年，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)難點之一。另外，近年國內(nèi)外均開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道不多，但已顯示了良好的應(yīng)用前景。本論文圍繞這兩個重要課題，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。鑒于目前國內(nèi)外對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行縱向比較，對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)性能進行了較為具體的研究，本論文的研究內(nèi)容如下： (1)首次采用價格低廉的二甲苯為

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，并對該方法獲得球形納米氧化鋯粉末的機理進行了分析。同時，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，在探索性實驗的基礎(chǔ)上，選擇納米氧化鋯前驅(qū)體粉末的比表面BET作為正交實驗考察指標(biāo)，采用正交實驗對制粉工藝進行了優(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)時間為3h。 (2)計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)，包括立方相的點陣常數(shù)a<,c>，四方相的點陣常數(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)密度相對比，從而從理論上說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聚粉末，考察了該粉末的性能。在進行探索性實驗的基礎(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驗考察指標(biāo)的基礎(chǔ)上對噴

7、涂工藝進行了優(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)對涂層的顯微結(jié)構(gòu)和抗熱震性能的影響。 (4)計算了按優(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)值進行對比，從而對等離子噴涂形成納米氧化鋯涂層過程中相轉(zhuǎn)變機理進行了探索；并根據(jù)各相的晶格常數(shù)計算了該納米氧化鋯粉末及涂層中Y<,2>O<,3>的理論含量，通過與其實際含量相對比，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，對該涂層進行

9、了如真空熱處理、封孔等后處理，采用對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，實驗結(jié)果表明：對納米氧化鋯涂層進行封孔和真空熱處理均對其抗熱震壽命有不利的影響，封孔對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)合熱沖擊試驗結(jié)果闡述了涂層的抗熱震失效機理，即涂層在熱震加熱過程中，孔隙和早期存在的微裂紋附近的納米顆粒發(fā)生長大，當(dāng)大部分納米顆?；蛉康募{米顆粒

10、長大后，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)涂層的失效方式進行；同時結(jié)合等溫氧化實驗結(jié)果對納米氧化鋯涂層的氧化機理進行了分析，即納米氧化鋯涂層的氧化機理遵從Wagner氧化理論。對納米氧化鋯涂層的熱擴散系數(shù)進行了測量，分析了涂層及處理后涂層的熱擴散系數(shù)的差異，同時，對熱擴散機理進行了分析。 (6)采用最佳噴涂工藝參數(shù)分別對兩種噴霧造粒粉末進行等離子噴涂，制備了兩種納米氧化鋯涂層S1涂層和B1涂層，

11、對比研究了兩種涂層的顯微硬度、抗裂紋擴展力以及結(jié)合強度。結(jié)果表明：兩種涂層的顯微硬度測試值服從weibull分布，無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)于其對應(yīng)表面的顯微硬度值；另外，S1涂層的抗裂紋擴展力與結(jié)合強度均優(yōu)于B1涂層。 (7)對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