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CN116174728B - 一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层 - Google Patents

一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层，具有第一预定尺寸的第一形状的喷涂粉末和具有第二预定尺寸的第二形状的稀土粉末通过机械球磨的冷焊及挤压作用将稀土粉末压入基体粉末中，随后通过固溶热处理形成复合粉末，得到稀土元素改性的喷涂粉末，其中，喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末，稀土粉末包括稀土单质和稀土化合物，所述第一预定尺寸大于所述第二预定尺寸；稀土元素改性的喷涂粉末通过热喷涂或冷喷涂制备得到稀土改性涂层，其中，稀土元素固溶于涂层中形成强化相。所述稀土改性涂层的粒子层间氧化物和杂质含量少。

Description

一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层
技术领域
本发明属于材料加工技术领域，特别是一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层。
背景技术
热喷涂和冷喷涂制备的涂层具有涂层材料种类广、制备效率高和成本低的优势，在机械、航空航天、船舶等工业领域中具有广泛的应用。然而，通过热喷涂或冷喷涂制备涂层，由于喷涂粉末粒子在加热和加速的飞行过程中，不可避免地卷入空气中的氧气和氮气，使涂层中的元素与空气中的氧气、氮气发生氧化、氮化和分解，生成氧化物和氮化物等杂质，进一步将杂质引入涂层中，从而影响了涂层的粒子层间结合、涂层的成分和性能，一定程度上限制了涂层材料的应用和性能的发挥。
稀土元素被誉为工业味精，在改善热喷涂和冷喷涂涂层的性能方面具有不可替代的作用。稀土元素可以有效抑制喷涂粉末的氧化、氮化和分解、净化涂层中的杂质，固溶于涂层中形成强化相，提升涂层的性能。然而，如何有效、精准地将稀土元素添加进入喷涂涂层中，制备得到稀土改性的热喷涂和冷喷涂涂层，是目前本技术领域人员亟待解决的问题。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种稀土改性的喷涂涂层制备方法及其喷涂涂层，有效地解决将稀土元素添加进入喷涂涂层中，制备得到稀土改性的热喷涂和冷喷涂涂层的问题。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现，一种稀土改性的喷涂涂层制备方法包括以下步骤：
具有第一预定尺寸的第一形状的喷涂粉末和具有第二预定尺寸的第二形状的稀土粉末通过机械球磨的冷焊及挤压作用将稀土粉末压入基体粉末中，随后通过固溶热处理形成复合粉末，得到稀土元素改性的喷涂粉末，其中，喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末，稀土粉末包括稀土单质和稀土化合物，所述第一预定尺寸大于所述第二预定尺寸；
稀土元素改性的喷涂粉末通过热喷涂或冷喷涂制备得到稀土改性涂层，其中，稀土元素固溶于涂层中形成强化相。
所述的方法中，第一预定尺寸为20-200μm，第二预定尺寸为0.1nm-10μm。
所述的方法中，第一形状或第二形状包括球形、多角形和不规则形状。
所述的方法中，稀土化合物包括铈、镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的氧化物、氯化物、氟化物、氢化物、氮化物、硫化物、卤化物、碳化物和金属间化合物。
所述的方法中，机械球磨包括采用混料机、行星式球磨机、高能球磨机、搅拌球磨机或振动球磨机进行球磨。
所述的方法中，机械球磨在机械球磨的转速为0.1-2000r/min,球磨时间为0.1-2000小时，磨球和喷涂粉末与稀土粉末的粉末总和的比例为0.1:1-200:1的条件下，通过冷焊及挤压作用得到稀土元素改性的喷涂粉末。
所述的方法中，固溶热处理包括真空固溶热处理、气氛保护固溶热处理或常规大气环境下的固溶热处理。
所述的方法中，所述固溶热处理的温度为100-3000℃，固溶热处理的时间为0.1-100小时。
所述的方法中，热喷涂包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和激光熔覆喷涂。
一种喷涂涂层经由所述的方法制备。
有益效果
本发明提供的稀土改性的喷涂涂层制备方法实用性强，采用稀土改性的喷涂粉末，通过热喷涂或冷喷涂制备涂层，稀土元素可以有效净化涂层中的杂质、抑制基体元素的氧化、氮化和分解。避免了传统稀土改性涂层的成分与设计成分的偏差，涂层内氧化物增多，涂层的粒子层间结合不良的问题。同时，稀土元素可以固溶于涂层中，提升喷涂涂层的性能。本发明为稀土改性的喷涂涂层的制备提供了有效的解决途径。
附图说明
通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于表示优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
在附图中：
图1是本发明的一个较佳实施例的稀土铈(Ce)改性的铁基合金粉末的形貌；
图2是本本发明的一个较佳实施例的铁基合金粉末添加的稀土铈(Ce)的能谱图；
图3是本发明的一个较佳实施例的稀土铈(Ce)改性的铁基合金涂层的组织；
图4是本本发明的一个较佳实施例的不含稀土的铁基合金涂层的组织；
图5是本发明的一个较佳实施例的铁基合金涂层与稀土铈(Ce)改性的铁基合金的磨损质量损失；其中A-铁基合金涂层，B-稀土铈(Ce)改性的铁基合金涂层。
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
下面的参照附图1至图5将更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以通过各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然而所述描述仍然以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
为了更好地理解，一种稀土改性的喷涂涂层制备方法包括以下步骤：
具有第一预定尺寸的第一形状的喷涂粉末和具有第二预定尺寸的第二形状的稀土粉末通过机械球磨的冷焊及挤压作用将稀土粉末压入基体粉末中，随后通过固溶热处理形成复合粉末，得到稀土元素改性的喷涂粉末，其中，喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末，稀土粉末包括稀土单质和稀土化合物，所述第一预定尺寸大于所述第二预定尺寸；
稀土元素改性的喷涂粉末通过热喷涂或冷喷涂制备得到稀土改性涂层，其中，稀土元素固溶于涂层中形成强化相，稀土改性涂层的粒子层间氧化物和杂质含量少。
所述的方法的优选实施方式中，第一预定尺寸为20-200μm，第二预定尺寸为0.1nm-10μm。
所述的方法的优选实施方式中，第一形状或第二形状包括球形、多角形和不规则形状。
所述的方法的优选实施方式中，稀土化合物包括铈、镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的氧化物、氯化物、氟化物、氢化物、氮化物、硫化物、卤化物、碳化物和金属间化合物。
所述的方法的优选实施方式中，机械球磨包括采用混料机、行星式球磨机、高能球磨机、搅拌球磨机或振动球磨机进行球磨。
所述的方法的优选实施方式中，机械球磨在机械球磨的转速为0.1-2000r/min,球磨时间为0.1-2000小时，磨球和喷涂粉末与稀土粉末的粉末总和的比例为0.1:1-200:1的条件下，通过冷焊及挤压作用得到稀土元素改性的喷涂粉末。
所述的方法的优选实施方式中，固溶热处理包括真空固溶热处理、气氛保护固溶热处理或常规大气环境下的固溶热处理。
所述的方法的优选实施方式中，所述固溶热处理的温度为100-3000℃，固溶热处理的时间为0.1-100小时。
所述的方法的优选实施方式中，热喷涂包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和激光熔覆喷涂。
在一个实施例中，方法包括，稀土元素改性的喷涂粉末，通过热喷涂或冷喷涂制备得到稀土改性涂层。所述稀土元素包括稀土单质和稀土化合物；所述喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末；所述热喷涂包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和激光熔覆喷涂；所述稀土元素可以有效抑制喷涂粉末的氧化、氮化和分解、净化涂层中的杂质，固溶于涂层中形成强化相；所述稀土改性涂层的粒子层间氧化物和杂质含量少。
进一步地，所述稀土元素包括铈(Ce)、镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)的单质、氧化物、氯化物、氟化物、氢化物、氮化物、硫化物、卤化物、碳化物和金属间化合物。
进一步地，所述稀土改性涂层是通过热喷涂或冷喷涂制备得到。
进一步地，所述热喷涂包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和激光熔覆喷涂。
进一步地，所述喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末。
进一步地，所述稀土粉末为球形、多角形、不规则等形状的粉末，尺寸为0.1nm-10μm。
进一步地，所述喷涂粉末为球形、多角形、不规则等形状的粉末，尺寸为0.1-200μm。
进一步地，所述稀土元素通过机械球磨的冷焊及挤压作用将稀土粉末压入基体粉末中，随后通过固溶热处理形成复合粉末，将稀土元素固溶于喷涂粉末中。
进一步地，所述稀土元素可以有效抑制喷涂粉末的氧化、氮化和分解、净化涂层中的杂质，固溶于涂层中形成强化相。
进一步地，所述稀土改性涂层的粒子层间氧化物和杂质含量少；所述稀土改性涂层的硬度、结合强度、抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、电学、光学、磁性和生物性能显著提高。
实施例1
采用多角形的、尺寸为0.1-2μm的稀土铈(Ce)粉末，与尺寸为30-80μm的球形铁基合金粉末，在球磨机中进行机械球磨，随后进行固溶热处理，制备得到稀土铈(Ce)改性的铁基合金粉末。所得稀土铈(Ce)改性的铁基合金粉末的形貌如图1所示。图2是铁基合金粉末添加的稀土铈(Ce)的能谱图。通过等离子喷涂制备的稀土铈(Ce)改性的铁基合金涂层的组织如图3所示，稀土铈(Ce)已经完全固溶于铁基合金涂层中，形成了含稀土铈的强化相。同样的参数条件下制备的不含稀土的铁基合金涂层的组织如图4所示，不含稀土的铁基合金涂层中存在明细的孔隙和氧化物。如图5所示是磨损实验的质量损失，在相同磨损条件下，稀土铈(Ce)改性的铁基合金涂层的质量损失为2.3mg，传统的铁基合金涂层的质量损失为8.5mg，后者的质量损失是前者的质量损失的3.7倍。
实施例2
采用多角形的、尺寸为0.2-3μm的稀土钷(Pm)粉末，与尺寸为15-60μm的多角形铜基合金粉末，通过机械球磨和固溶处理，制备得到稀土钷(Pm)改性的铜基合金粉末。通过冷喷涂制备稀土钷(Pm)改性的铜基合金涂层，稀土钷(Pm)完全固溶于铜基合金涂层中，其耐磨损性能是没有添加稀土钷(Pm)的铜基合金涂层耐磨损性能的2倍。
实施例3
采用不规则的、尺寸为0.1-10μm的稀土钕(Nd)粉末，与尺寸为15-100μm的不规则镍基合金粉末，通过机械球磨和固溶处理，制备得到稀土钕(Nd)改性的镍基合金粉末。通过激光熔覆喷涂制备稀土钕(Nd)改性的镍基合金涂层，稀土钕(Nd)完全固溶于镍基合金涂层中，其耐腐蚀性能是没有添加稀土钕(Nd)的镍基合金涂层耐腐蚀性能的2倍。
实施例4
采用不规则的、尺寸为0.1nm-3μm的稀土镝(Dy)粉末，与尺寸为30-100μm的不规则氧化锆粉末，通过机械球磨和固溶处理，制备得到稀土镝(Dy)改性的氧化锆粉末。通过超音速火焰喷涂制备稀土镝(Dy)改性的氧化锆涂层，稀土镝(Dy)完全固溶于氧化锆涂层中，其抗氧化性能是没有添加稀土镝(Dy)的氧化锆涂层抗氧化性能的3倍。
实施例5
采用球形的、尺寸为0.2nm-3μm的稀土氧化铒(Er2O3)粉末，与尺寸为20-75μm的球形聚酯-环氧树脂粉末，通过机械球磨和固溶处理，制备得到稀土氧化铒(Er2O3)改性的聚酯-环氧树脂粉末。通过火焰喷涂制备稀土氧化铒(Er2O3)改性的聚酯-环氧树脂涂层，稀土氧化铒(Er2O3)完全固溶于聚酯-环氧树脂涂层中，其抗屏蔽性能是没有添加稀土氧化铒(Er2O3)的聚酯-环氧树脂涂层抗屏蔽性能的2倍。
实施例6
采用球形的、尺寸为0.1nm-2μm的稀土氧化镥(Lu2O3)粉末，与尺寸为20-100μm的不规则尼龙粉末，通过机械球磨和固溶处理，制备得到稀土氧化镥(Lu2O3)改性的尼龙粉末。通过火焰喷涂制备稀土氧化镥(Lu2O3)改性的尼龙涂层，稀土氧化镥(Lu2O3)完全固溶于尼龙涂层中，其耐腐蚀性能是没有添加稀土氧化镥(Lu2O3)的尼龙涂层耐腐蚀性能的2倍。
一种喷涂涂层经由所述的方法制备。稀土元素可以有效抑制喷涂粉末的氧化、氮化和分解、净化涂层中的杂质，固溶于涂层中形成强化相；所述稀土改性涂层的粒子层间氧化物和杂质含量少；所述稀土改性涂层的硬度、结合强度、抗磨损、抗腐蚀、抗氧化、电学、光学、磁性和生物性能显著提高。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (8)

1.一种稀土改性的喷涂涂层制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
具有第一预定尺寸的第一形状的喷涂粉末和具有第二预定尺寸的第二形状的稀土粉末通过机械球磨的冷焊及挤压作用将稀土粉末压入基体粉末中，随后通过固溶热处理形成复合粉末，得到稀土元素改性的喷涂粉末，其中，喷涂粉末包括金属及其合金、陶瓷及陶瓷基复合粉末、高分子及高分子基复合粉末，稀土粉末包括稀土单质和稀土化合物，所述第一预定尺寸大于所述第二预定尺寸；
稀土元素改性的喷涂粉末通过热喷涂或冷喷涂制备得到稀土改性涂层，其中，稀土元素固溶于涂层中形成强化相；第一预定尺寸为20-200µm，第二预定尺寸为0.1nm-10µm，机械球磨在机械球磨的转速为0.1-2000r/min, 球磨时间为0.1-2000小时，磨球和喷涂粉末与稀土粉末的粉末总和的比例为0.1:1-200:1的条件下，通过冷焊及挤压作用得到稀土元素改性的喷涂粉末，稀土元素抑制基体元素的氧化、氮化和分解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一形状或第二形状包括球形、多角形和不规则形状。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，稀土化合物包括铈、镧、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥的氧化物、氯化物、氟化物、氢化物、氮化物、硫化物、碳化物和金属间化合物。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，机械球磨包括采用行星式球磨机、高能球磨机、搅拌球磨机或振动球磨机进行球磨。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固溶热处理包括真空固溶热处理、气氛保护固溶热处理或常规大气环境下的固溶热处理。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶热处理的温度为100-3000℃，固溶热处理的时间为0.1-100小时。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热喷涂包括火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和激光熔覆喷涂。
8.一种喷涂涂层，其特征在于，其经由权利要求1-7中任一项所述的方法制备。
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