一种球形空心氧化锆热喷涂粉的制备方法

技术领域

本发明涉及一种球形空心氧化锆热喷涂粉的制备方法，属于粉体材料及热喷涂技术领域，本发明主要应用于热喷涂热障涂层领域。

背景技术

热障涂层技术是将耐高温，同时又具有低导热性和高抗腐蚀性的陶瓷材料以涂层的形式涂覆在基体材料表面的工件表面防护技术。热喷涂技术研发和制造成本相对较低，工艺更加容易实现，能够有效提高发动机整体使用寿命，是目前航空发动机科研及生产制造过程中的关键技术之一。近年来，航空发动机的推重比不断提高，发动机燃烧室进气口温度随之大幅攀升。根据相关资料，推重比为10的航空发动机燃烧室进气口温度为1900K左右；推重比为12-15发动机进气口温度为2100K；而当推重比达到20时，燃烧室进气口温度将高达 2200-2400K。随着航空发动机使用环境要求不断提升，必然对热障涂层会提出更高的要求，现有热障涂层材料在热导率和热稳定性方面难以满足航空发动机发展新需求，需要不断寻找新的热障涂层材料和优化改进制备工艺。

氧化锆是应用最为成熟的热障涂层材料之一，但很少单独作为涂层材料使用，通常用氧化钇等稀土材料作为高温相变稳定剂复合在一起制备热障涂层。本发明公布了一种球形空心氧化钇稳定氧化锆喷涂粉的制备方法，通过人为造孔，以期提高氧化锆涂层的热障性能。本发明工艺简单、易操作、成本低、效率高，适用于各种球形陶瓷空心粉体的制备。

发明内容

本发明的目的在于进一步提高氧化锆涂层的热障性能，提供一种球形空心氧化锆喷涂粉的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

以氧化钇稳定氧化锆粉末为原料，加入聚乙烯醇（PVA）或聚乙烯亚胺（PEI）等有机粘合剂配成浆料，通过喷雾干燥成球工艺，然后运用等离子喷涂火焰进行空心化。

较佳地，所述球形氧化钇稳定氧化锆粉，其成分组成为3-80%氧化钇，20-97%氧化锆，优选为8%摩尔氧化钇稳定氧化锆粉末。

较佳地，所述球形氧化钇稳定氧化锆粉的粒度范围为5-150微米，优选为15～45µm。

较佳地，所述等离子喷涂法的参数包括：

等离子体气体Ar：35～55 slpm，优选为40-45 slpm；粉末载气Ar：2～8 slpm，优选为3-5 slpm；等离子体气体H2：5～15 slpm，优选为10-12 slpm；喷涂距离：90～300 mm，优选为100-150 mm；喷涂功率：30～55 kw，优选为40～45 kw；送粉速率：15～40 r/min，优选为20～30 r/min；送粉量：10-30g/min，优选为20-25g/min。

本发明的球形空心氧化锆热喷涂粉具有以下几个有益效果：

1. 本发明设计的球形空心氧化锆热喷涂粉，粉末外部为致密的壳体，内部为空心结构。与单纯喷雾造粒粉相比，能够显著提高喷涂粉的结合强度，保证送粉过程中良好的流动性以及喷涂过程中粉末飞行的冲量，从而提高涂层本身的结合强度。

2. 球形空心氧化锆热喷涂粉可以在喷涂涂层中有效造孔，有助于提高涂层的隔热性能，适合作为热障涂层使用。

3. 与其化学工艺造孔方法相比，本发明工艺简单、易操作、成本低、效率高等优点。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的球形空心氧化锆热喷涂粉采用等离子喷涂火焰进行空心化，由粉末经过等离子体火焰熔融、再结晶、冷凝而成。所制备的粉末外壳层结构致密，粉体中心为空心结构，由喷雾造粒粉所包含的空气聚集而成。以下示例说明本发明球形空心氧化锆热喷涂粉末的制备方法。

（1）喷雾干燥浆料制备。浆料固含量为85%，粘结剂的质量分数为5%，制备的浆料经高速搅拌2h后备用。

（2）喷雾造粒。将步骤（1）所制备的浆料送入离心式喷雾干燥机雾化造粒成球和高温干燥。雾化器频率为110Hz；进料泵转率为18r/min；干燥温度设定为300℃。为了适应热喷涂工艺对喷涂粉末粒径的要求，将喷雾干燥后的球形粉进行分级。

（3）粉末空心化。选用15～45µm的喷雾干燥氧化锆球形粉，采用等离子喷涂火焰喷射在带有冷却装置的粉末收集容器中，熔融体外部急剧冷凝成致密的外壳，空气咋封闭在球心，即获得球形空心氧化锆热喷涂粉。其中，等离子喷涂空心化工艺参数包括：等离子体气体Ar：40 slpm；粉末载气Ar：4 slpm；等离子体气体H2：10slpm；喷涂距离：160 mm；喷涂功率：42 kw；送粉速率：25 r/min；送粉量：20g/min。

本粉末空心化工艺方法简单、易操作、成本低、效率高，制备出的球形空心氧化钇稳定氧化锆粉适合等离子喷涂热障涂层使用需要。本发明方法同样适用于各种球形陶瓷空心的粉体制备，本领域的技术人员根据本发明的上述内容做出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。