用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物與陶瓷涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于耐磨涂層技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物與 陶瓷涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，除少數(shù)貴金屬外，金屬材料會與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng) 而遭受腐蝕。此外，金屬表面受各種機械作用而引起的磨損也極為嚴重，大量的金屬構(gòu)件因 腐蝕和磨損而失效，造成極大的浪費和損失。因此，發(fā)展金屬表面防護和強化技術(shù)，是各專 家學(xué)者普遍關(guān)也的重大課題。采用等離子體噴涂工藝在金屬表面涂覆陶瓷涂層是制備金屬 陶瓷復(fù)合材料的一種重要方法，綜合利用金屬初性高、耐疲勞等優(yōu)良力學(xué)性能和陶瓷材料 的穩(wěn)定性，可應(yīng)用于耐磨、耐高溫、耐腐蝕等諸多領(lǐng)域，并且具有操作簡單、效率高、可重復(fù) 性好、適合規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點。
[0003] 氧化紀穩(wěn)定的氧化鉛（YSZ)陶瓷具有特殊的四方介穩(wěn)結(jié)構(gòu)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和 較高的力學(xué)強度，常用作耐磨材料，亦用作骨植入體巧日人工關(guān)節(jié)）的摩擦界面材料。但是， 等離子體噴涂工藝制備的YSZ陶瓷涂層的扁平顆粒之間屬于機械結(jié)合，結(jié)合強度較低；陶 瓷涂層中的孔洞等缺陷易在交界處聚集，內(nèi)聚強度較低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，裂紋容易在薄 弱的層間萌生和拓展，影響其磨損性能。之前有人將碳納米管（CNT)用于陶瓷涂層耐磨領(lǐng) 域改性的的報道，但CNT作為一維碳材料，雖具有優(yōu)良的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，但其本身 的潤滑作用比二維的石墨帰差，在改善陶瓷耐磨性能方面不夠理想，有文獻報道添加碳納 米管可能會使增大體系的摩擦系數(shù)，并且從應(yīng)用角度來看，CNT的成本昂貴。
[0004] 石墨帰納米片（GNs)是一種二維面層結(jié)構(gòu)的材料，具有良好的機械性能巧日高彈性 模量、高硬度和高初性）和潤滑性能，極大的比表面積和高烙沸點，在低劑量使用時還具有 良好的生物相容性。目前石墨帰主要研究用于改善陶瓷塊體、合金、高聚物的機械性能(初 性、耐磨性等)、電學(xué)性能及熱學(xué)性能等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中純相陶瓷涂層耐磨性能達不到越來越高的使用要求，同時 碳納米管（CNT)用于陶瓷復(fù)合涂層中，摩擦性能不夠理想(主要表現(xiàn)是摩擦系數(shù)上升）且成 本昂貴的技術(shù)問題，目的之一在于提供一種用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物，所述組合物 不但包括氧化紀穩(wěn)定的氧化鉛粉體，而且還包括石墨帰納米片（GNs)。
[0006] G化作為納米增強劑分散在氧化鉛粉體的顆粒之間，可有效抑制裂紋的萌生和拓 展，減少陶瓷涂層中扁平顆粒的脫落，同時作為典型的二維層狀碳材料具有良好的潤滑性 能，有望改善氧化鉛陶瓷涂層的耐磨性。本發(fā)明的用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物，除了可 用作工業(yè)耐磨材料外，還具有應(yīng)用于生物耐磨界面的巨大潛力。
[0007] 在本發(fā)明中，石墨帰納米片：氧化鉛粉體為0. 5~5wt%:95~99. 5wt%，優(yōu)選為 0. 8 ~3wt%:97 ~99. 2wt%，更優(yōu)選 1 ~1. 5wt%:98. 5 ~99wt〇/〇。
[000引所述的石墨帰納米片（GNs)為厚度5~20nm、面內(nèi)直徑小于lOOnm的石墨帰納 米片；所述的氧化鉛粉體為氧化紀穩(wěn)定的氧化鉛粉體（YSZ)，其中每Imol的Zr化用3~ 3. 5mol%優(yōu)選用3. 2mol%的Y2O3穩(wěn)定；所述的復(fù)合粉體組合物的粒徑為15~100 ji m。
[0009] 本發(fā)明的目的之二在于提供一種制備本發(fā)明的用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物 的方法，所述的方法可W為機械球磨法，也可W為噴霧熱解法，還可W為溶膠凝膠法，優(yōu)選 為機械球磨法，可W制備出流動性較好的復(fù)合粉體組合物，其中，機械球磨法為：將石墨帰 納米片、氧化鉛粉體與氧化鉛研磨球混合均勻，放入聚四氣己帰的研磨罐中，在行星球磨機 中進行球磨，過篩并烘干得到用于陶瓷涂層的復(fù)合粉體組合物，其中復(fù)合粉體組合物：氧 化鉛研磨球的質(zhì)量比為1:1~3,優(yōu)選為1:1. 8~2. 2,更優(yōu)選為1:2。
[0010] 其中，氧化鉛研磨球為每Imol的Zr〇2球用3mol%Y2〇3穩(wěn)定。
[0011] 其中，行星球磨的轉(zhuǎn)速為300~5(K)r/min，行星球磨時間為60~300min，然后過 40目篩并在100~12(TC下烘干。
[0012] 本發(fā)明的目的之H在于提供一種陶瓷涂層，其特征在于，該陶瓷涂層為本發(fā)明的 組合物經(jīng)等離子體噴涂工藝噴涂而成的陶瓷涂層。
[0013] 本發(fā)明的目的之四在于提供一種制備本發(fā)明的陶瓷涂層的方法，該方法為，采用 等離子體噴涂工藝，將本發(fā)明的組合物噴涂到經(jīng)表面處理的金屬基材表面而得到。本發(fā)明 采用等離子體噴涂工藝可W使得含有石墨帰納米片的復(fù)合粉體組合物W極高的速度穿過 火焰，確保組合物融化的同時將石墨帰納米片的破壞程度降低至最低程度。
[0014] 其中，所述的等離子體噴涂工藝的參數(shù)如下；等離子體氣體Ar流量為30~ 45slpm，等離子體氣體&流量為6~15slpm，復(fù)合粉體組合物載氣Ar流量為2~4slpm， 噴涂距離為100~120mm，噴涂功率為35~55kW，送粉速率為10~30g ? min-i。其中，單 位slpm為標準升/分鐘。
[0015] 其中，所述的金屬基材為不鎊鋼、純鐵或鐵合金基材，所述鐵合金優(yōu)選為 Ti-6A^4V合金；所述的表面處理為；先用噴砂處理或砂紙打磨，然后在無水己醇溶液中超 聲清洗1~2次，每次3~5min，最后在80~12CTC干燥1~化；所述噴砂處理的壓強優(yōu) 選為 0. 1 ~0. 5MPa〇
[0016] 本發(fā)明的積極進步效果在于：由本發(fā)明的復(fù)合粉體組合物噴涂到金屬基材上而得 到的陶瓷涂層，具有明顯優(yōu)于純相氧化鉛涂層的耐磨性，尤其在高載荷條件下可W明顯減 少因摩擦產(chǎn)生的磨屑，顯著降低平均磨損速率；并且石墨帰納米片的加入降低了陶瓷涂層 的摩擦系數(shù)，尤其是在較高載荷條件下該一趨勢更加明顯。本發(fā)明為提高陶瓷涂層的耐磨 性提供一種行之有效的解決方案；并且，本發(fā)明的方法具有操作簡單、效率高、可重復(fù)性好、 適合規(guī)?；a(chǎn)等優(yōu)點。本發(fā)明的含有石墨帰納米片的復(fù)合粉體組合物用于陶瓷涂層，可 改善氧化鉛陶瓷涂層的脆性和耐磨性，除了可應(yīng)用于工業(yè)耐磨界面外，還具有應(yīng)用于生物 耐磨界面的巨大潛力。本發(fā)明的方法具有操作簡單、效率高、可重復(fù)性好、適合規(guī)?；a(chǎn) 等優(yōu)點。
[0017] 實驗證明，本發(fā)明中含有石墨帰和氧化鉛的復(fù)合粉體組合物經(jīng)過大氣等離子體 噴涂工藝，大部分石墨帰片層完整保持其片層結(jié)構(gòu)。碳含量測定顯示，GZ1陶瓷涂層（復(fù)合 粉體組合物中石墨帰的添加量Iwt%)中C含量為0. 64wt%，存在狀態(tài)如圖2所示。分別在 10N、50N、100NH種不同的載荷下測試陶瓷涂層（陶瓷涂層按照實施例1制備及測試）的摩 擦磨損性能，相對于GZO陶瓷涂層(純相YSZ)，GZ1陶瓷涂層平均磨損速率分別降低了 45%、 57. 5%、34. 2% (圖4所示)，具有良好的耐磨性。
【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的復(fù)合粉體組合物和陶瓷涂層（GZ1)的X畑圖譜，其中，a是本發(fā)明 的復(fù)合粉體組合物的XRD圖譜，b是本發(fā)明的陶瓷涂層（GZ1)的XRD圖譜。
[0019] 圖2是本發(fā)明的陶瓷涂層（GZ1)與現(xiàn)有技術(shù)中的氧化鉛陶瓷涂層（GZ0)的拉曼 圖譜，其中，a是現(xiàn)有技術(shù)中的氧化鉛陶瓷涂層（GZ0)的拉曼圖譜；b是本發(fā)明的陶瓷涂層 (GZ1)的拉曼圖譜。
[0020] 圖3是本發(fā)明的陶瓷涂層（GZ1)的掃描電鏡照片，其中，a是本發(fā)明的陶瓷涂層 佑Z1)表面照片，b