第 25卷 第 5期 硅 酸 盐 通 报 Vol. 25 No. 5
2006年 10月 BULLETIN OF THE CH INESE CERAM IC SOC IETY October, 2006
二氧化钛等离子喷涂层的结构及性能
基金项目 :国家自然科学基金 (NO. 50242008). 作者简介 :范艳华 (19792) ,女 ,博士研究生. 主要从事陶瓷基复合材料的研究.
第 5期
范艳华等 :二氧化钛等离子喷涂层的结构及性能
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物相组成和涂层的显微结构进行观察和分析 。此外 ,对涂层的力学性能还进行了测试 (与基体的结合力 ,涂 层的硬度 ) 。
喷涂 , TiO2 没有与周围的气氛发生反应 ,生成新的物 质 ,这主要是由于喷涂粉料 TiO2 性能非常稳定 。但
是等离子喷涂后 ,物相的衍射强度大幅度的降低 ,经
分析可能是由于等离子焰流的温度高达 15000K以
上 ,粒子流的飞行速度高达 300 ～800m / s[ 6 ] ,使一些
TiO2 颗粒还来不及完全熔化 ,熔融颗粒冲击基体急
图 4 氧化钛涂层的 XRD图
速冷却 ,来不及形核长大 ,非平衡相相对增加 ,导致
Fig. 4 XRD pattern of TiO2 coating
非晶态相 ,反相晶界的形成 。其次 ,由于涂层很薄约
100～120μm ,导致各物相强度的下降 。
2. 2 涂层的显微结构
图 5为 TiO2 涂层的表面形貌图 ,从图中可以看出 TiO2 颗粒熔化较完全 ,但还有少量的部分熔融或未完 全熔融的 TiO2 存在 。熔融的 TiO2 颗粒从喷枪里喷出冲击基材 ,展开 ,平铺 ,凝固成准圆小薄片 ,这个过程的 时间很短 ,而不会出现第二个颗粒冲击到前一个已发生碰撞却没有凝固的颗粒上的情形 ,这样就形成了由小
1. 2 纳米 T iO2 涂层的制备 采用北京火箭研究所的大气等离子喷涂设备 ,制备纳米 TiO2 涂层 ,喷涂的参数如表 1 所示 。实验选用
Q235钢铁做基材 ,尺寸为 3cm ×6cm ,中间不加过渡层 ,涂层直接喷涂在钢铁基材表面上 。喷涂前 ,用丙酮对 钢材基体进行常规超声清洗 ,放在无水乙醇中浸泡 10m in脱水 ;再经过喷砂预处理 ,目的是为了去掉表面的 氧化层 ,暴露出新鲜的金属表面并使其表面粗化 ,增加表面活性 [4 ] ,提高涂层与金属基体间的结合强度 。等 离子喷涂过程的原理如图 3所示 。
8 专题论文
硅 酸 盐 通 报
第 25卷
σ f
= P / Fo
其中
σ f
为涂层的结合强度
,
P 为拉断载荷
,
Fo
为试样的结合表面积
[
5]
2 结果与Байду номын сангаас论
2. 1 涂层物相的组成
图 4为 TiO2 涂层的 XRD 图 。仔细分析比较 ,最 终确认熔覆层组织主要是由金红石型 TiO2 组成 ,但 也有非晶态相 。与图 1比较可看出 ,经过大气等离子
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范艳华等 :二氧化钛等离子喷涂层的结构及性能
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2. 4 涂层的硬度 TiO2 涂层的显微硬度相当高 ,平均值达 (727. 95 ±41. 30) kg /mm2 。表中每一个试样的值均取同一试样
表面不同位置 10个测试点的平均值 。涂层的硬度值 主要是 TiO2 颗粒本身硬度高 ,经过等离子熔融喷涂形 成高硬度的涂层 。涂层致密性差是造成硬度低于颗粒硬度的一个原因 。
1 实 验
1. 1 等离子喷涂用的纳米 T iO2 粉末的制备
实验选用江苏的河海纳米有限公司生产的纳米级 TiO2 粉末为原料 ,经透射电镜分析 ,平均粒径为 50nm 左右 。在 KSY22D 218型可控硅温度控制炉中 ,分别经过 700℃、1000℃、1200℃煅烧 。在 700℃煅烧 ,粉料中 所含的杂质粒子 ,有机物等转化并挥发出去 ,并发生了从锐钛矿型 TiO2 向金红石型 TiO2 转变如图 1,但是此 温度下煅烧的粉料仍是粉料状态 ,无任何粘结 ,不适于造粒 。在 1200℃煅烧 ,粉料发生严重的结块 ,并且结 块很难磨碎 。在 1000℃煅烧 ,粉料稍有熔融结块 ,容易研磨得到喷涂用的粉末如图 2。实验表明经过造粒 的 TiO2 颗粒流动性好 ,着粉率高适合于等离子喷涂 。
图 3 等离子的喷涂原理图 Fig. 3 Schematic diagram of air p lasma2sp raying
表 1 等离子喷涂的工艺参数
Tab. 1 Spray param eters for nanostructured T iO2 coa ting
送粉 速率 / g·m in21
3 结 论
通过在 1000℃下煅烧 ,可制备粒径为 30～90μm ,流动性好 ,着粉率高 ,适合等离子喷涂的 TiO2 颗粒 。利 用大气等离子喷涂制备 TiO2 涂层 ,涂层主要是由金红石相组成 ,也存在非晶态 。等离子喷涂层表面粗糙 ,空 隙率高 。涂层与基体的结合性很好 ,平均结合强度达 (30. 90 ±4. 74)MPa,涂层平均硬度为 (727. 95 ±41. 30) kg /mm2 。
参考文献
[ 1 ] 陈 煌 ,丁传贤 . 等离子喷涂氧化锆纳米涂层显微结构研究 [ J ] . 无机材料学报 . 2002, 17 (4) : 8822886. [ 2 ] 高 濂 ,郑 珊 ,张青红. 纳米氧化钛光催化材料及应用 [ J ]. 北京化学工业出版社 2002. 124. [ 3 ] 叶福兴. 等离子喷涂二氧化钛涂层的结构与光催化特性的研究 [D ] . 西安 :西安交通大学 , 2000. [ 4 ] 薛玉芝 . 等离子喷涂陶瓷涂层性能的研究 [ J ] . 大连铁道学院学报 , 2000, 21 (2) : 61265. [ 5 ] Park H K, Hee K. Effect of solvent ontitania panicle formation and morphology in thermal hydrolysis of TiCL4 [ J ]. J Am Ceram Soc, 1997, 18 ( 3) :
2. 3 涂层与基体的结合强度 涂层的结合强度取决于喷涂粒子之间 , TiO2 粒子与基体之间的结合状况 ,以及基体 2涂层体系中的残余
应力状况 [ 8, 9 ] 。测得的纳米 TiO2 涂层与基体材料的平均结合强度为 (30. 90 ±4. 74)M Pa,且涂层的破坏方式 均为沿涂层与基体的界面剥离 ,说明涂层与基体以机械结合为主 ,其结合界面是涂层 2基体体系中的最薄弱 环节 。这表明涂层内部的结合强度超过了涂层与基体界面的结合强度 (图 8) 。
The Structure and Performance of Pla sma Sprayed T iO2 Coa ting
FAN Yan2hua, Y IN Yan2sheng
( Institute of Materials Science and Engineering, Ocean University of China, Q ingdao 266003)
纳米 TiO2 涂层具有抗高温 ,耐腐蚀 ,耐磨损 ,化学性质稳定 ,无毒无害等优异的性能 ;另外 ,由于 TiO2 的 纳米颗粒又具有纳米结构的小尺寸效应 、表面与界面效应 、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性 ,纳米 TiO2 涂层将具有更为广阔的应用前景 。[ 2, 3 ]
纳米结构的微粒不能直接用于等离子喷涂 ,因为纳米微粒尺寸太小 、本身的质量小 、比表面积太大 、活性 高 、容易聚集成团 、流动性差 ,这造成在喷涂过程中粉料在管道中的运输困难 ;另外 ,由于纳米微粒与基体材 料的冲量很小 ,这使纳米微粒无法在基体材料的表面沉积 ,形成致密的纳米涂层 。通过造粒技术 ,使纳米微 粒重组成微米级的微粒 ,以适合于等离子喷涂用 。通过 X射线衍射 (XRD ) 、扫描电镜 ( SEM )技术对涂层的
Abstract:Nano2TiO2 powders were calcined at 700℃, 1000℃, 1200℃ respectively. TiO2 coatings on carbon steel substrate were fabricated by air p lasm a sp raying. The m icro2structure and composition in calcined TiO2 powders and TiO2 coatings were investigated through XRD and SEM. The results show that radius of the best TiO2 particles which were used in air p lasma sp raying are 30290μm , and the particles have better mobility and better landed powder ratio. The main phase of coating is Rutile2TiO2 , and adhesion strength between coating and substrate is very good, up to 30. 90M Pa, hardness of coatings is 727. 95HV. Key words: nano2TiO2 ; calcined particles; air p lasma sp raying; adhesion strength
近年来 ,纳米结构涂层成了众多科学工作者的研究热点 ,由于晶粒尺寸效应和大量晶界的存在 ,具有比 传统涂层更优良的性能 。许多方法都可用于纳米结构涂层的制备 ,如热喷涂技术 、电子束物理气相沉积 、化 学气相沉积 、磁控溅射等 , 其中热喷涂技术尤其是等离子喷涂技术成了制备纳米结构涂层的有效方法 之一 [ 1 ] 。