張銳，王全勝，柳彥博，孫現(xiàn)凱

(1.北京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100081；2，北京理工大學(xué)沖擊環(huán)境材料重點實驗室，北京100081)

由于YSZ（6%～8%Y2O3-ZrO2）具有熱導(dǎo)率較低（2.0～2.3W·m-1k-1）、與基體材料相近的熱膨脹系數(shù)（11.0×10-6℃-1）及熔點較高（2700℃）等特點，將其作為TBCs中的面層材料使用，可以有效解決燃?xì)廨啓C(jī)以及渦輪發(fā)動機(jī)熱端部件的熱防護(hù)問題[1-2]。與常規(guī)微米YSZ涂層相比，采用納米結(jié)構(gòu)YSZ粉末得到的涂層微觀結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出晶粒堆積緊密、氣孔率低且結(jié)合強(qiáng)度高等特點[3]，涂層的隔熱性能更優(yōu)、抗熱震性能更強(qiáng)[4]。得到含有納米結(jié)構(gòu)的涂層的前提條件是噴涂粉末完全為納米結(jié)構(gòu)組成或含有一定量的納米結(jié)構(gòu)，并且在涂層制備過程中，其納米結(jié)構(gòu)能夠得到有效保留。但是，原始的納米粉末不能直接用來噴涂，需要經(jīng)過造粒處理將其制備成適合等離子噴涂工藝需要的微米級團(tuán)聚體粉末。目前，納米YSZ團(tuán)聚體粉末的造粒方法主要采用噴霧干燥法，該方法具有效率高、粉末流動性能好、粒度分布可控等優(yōu)點，但是也存在團(tuán)聚體球形度差、顆粒結(jié)合較為松散等缺點，導(dǎo)致其在輸送至等離子焰流的過程中容易發(fā)生破碎；需經(jīng)過后續(xù)煅燒或等離子致密化處理，但是，該處理過程會引起團(tuán)聚體粉末晶粒長大，存在涂層形成過程中納米結(jié)構(gòu)難以保留的缺點。

感應(yīng)等離子技術(shù)是一種利用高頻感應(yīng)線圈激發(fā)等離子體的技術(shù)，相對于直流等離子體而言，感應(yīng)等離子體具有純度高（無電極污染）、速度慢、體積大、氣氛可控等特點，應(yīng)用于粉末球化處理具有很大的優(yōu)勢。感應(yīng)等離子體粉末球化處理就是將形狀不規(guī)則、流動性較差的粉末通過送粉器將其送入感應(yīng)等離子體中，利用等離子體的高溫使其迅速加熱并熔化，形成液滴，在表面張力作用下團(tuán)聚成球形，在下落過程中發(fā)生重新凝固，從而獲得球形粉末顆粒。采用感應(yīng)等離子體對粉末進(jìn)行球化處理，不僅可以提高粉末的流動性、消除粉末內(nèi)部的孔隙、提高粉末硬度以及改善粉末的形貌，還可提高粉末的純度，該方法適用于純金屬、合金以及多種陶瓷粉末[5]。

本文將納米YSZ粉體以液態(tài)料漿方式進(jìn)行感應(yīng)等離子體球化處理，可以同時實現(xiàn)團(tuán)聚、球化及致密化處理，可有效替代常規(guī)的噴霧干燥、后續(xù)煅燒及致密化處理，不僅工序簡化，還可減緩團(tuán)聚體粉末的晶粒長大。

1 實驗

1.1 納米ZrO2漿料的制備

納米ZrO2原始粉末的粒度分布為30～50nm。將納米ZrO2原始粉末和無水乙醇按照一定比例混合，將配好的漿料倒入聚四氟乙烯球磨罐中，以瑪瑙球為磨球，在BMP-1SP2型行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕混2h，然后，將混好的漿料加入液體送粉器儲液瓶中，并放入磁性轉(zhuǎn)子，打開磁力攪拌器，使轉(zhuǎn)子保持勻速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，以保證漿料的均勻性。

1.2 納米ZrO2粉末球化

本文采用加拿大TEKNA Plasma Systems Inc.公司生產(chǎn)的30KW感應(yīng)等離子體粉末球化系統(tǒng)進(jìn)行粉末球化處理，其基本過程是：納米ZrO2漿料經(jīng)液體送粉器送入感應(yīng)等離子體噴槍，在霧化氣體作用下，納米ZrO2漿料被霧化，霧化后的顆粒經(jīng)感應(yīng)等離子體加熱后發(fā)生球化、致密化。在實驗過程中保持等離子體功率（29KW）不變，通過四因素三水平正交試驗設(shè)計，研究了漿料配比、霧化氣流量、反應(yīng)室壓力、送粉率對粉末球化效果的不同影響，實驗選定的因素和水平如表1所示。

表1 納米ZrO2粉末感應(yīng)等離子球化處理工藝參數(shù)Table 1 Induction plasma spheroidization Parameters of Nano-sized Zirconia powder

1.3 粉末性能表征方法

采用日本Keyence生產(chǎn)的VHX-2000型超景深三維顯微鏡觀察球化處理后粉末的三維形貌；采用高新技術(shù)株式會社生產(chǎn)的S-4800型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察球化處理后納米ZrO2團(tuán)聚體粉末的截面形貌；粉末相結(jié)構(gòu)采用荷蘭PANalytical公司生產(chǎn)的X’Pert PRO MPD型多晶X射線衍射分析儀（XRD）進(jìn)行表征，選定的參數(shù)為Cu靶，Kα，Ni濾波片，管電壓40kV，管電流40mA，狹縫尺寸DS=0.957（°），PSD=2.12，掃描速度4（°）/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 納米ZrO2粉末球化影響因素分析

依據(jù)表1制定的感應(yīng)等離子球化處理正交實驗方案如表2所示。

表2 正交實驗參數(shù)Table 2 Parameters of the orthogonal Experiences

通過對正交設(shè)計后所得數(shù)據(jù)的分析，得到了各個工藝參數(shù)對于納米ZrO2團(tuán)聚體粉末球化效果的顯著性影響順序，分別為：霧化氣流量、漿料配比、反應(yīng)室壓力、送粉率。本實驗中采用氬氣為霧化氣，其流量的大小對球化效果有直接影響，適當(dāng)?shù)撵F化氣流量能夠使?jié){料在進(jìn)入等離子高溫區(qū)時完全霧化成大小均勻的液滴，保證球化時液滴吸收相同的能量，最后獲得更好的球化效果。納米ZrO2粉末與無水乙醇的配比決定了漿料是否能順利的送入噴槍，若濃度過大，在送粉過程中易堵塞送粉管，若濃度過小，在球化過程中不能保證無水乙醇完全氣化。在球化過程中，原始漿料經(jīng)霧化后必須送入等離子體的高溫區(qū)中心，才能獲得最好的球化效果。因此，送粉率必須與感應(yīng)等離子體功率相匹配，如送粉率過高，會引起部分粉球化不充分甚至完全不發(fā)生球化。因此，球化過程中控制合適的送粉率可以在提高粉末的球化率[6]。結(jié)果表明，以球化后粉末的球化率為指標(biāo)，得到的最佳工藝參數(shù)為：霧化氣流量6slpm，漿料配比（ZrO2：無水乙醇）1:1.5，送粉率4r/min，反應(yīng)室壓力11psi。

2.2 粉末形貌

納米ZrO2粉末球化前后的形貌如圖1所示。由圖1可知，原始納米粉末（如圖1（a））由于比表面積大，表面能高，極易相互團(tuán)聚成大顆粒，呈不規(guī)則形狀。經(jīng)過感應(yīng)等離子球化處理后，如圖1（b），得到的粉末粒徑分布范圍為40～100μm，大部分粉末呈較規(guī)則的球形，少部分較大顆粒（80～100μm）呈“蘋果”形。

經(jīng)過感應(yīng)等離子球化處理后，粉末的表面狀態(tài)如圖2所示。液滴中的乙醇在感應(yīng)等離子體弧產(chǎn)生的高溫區(qū)氣化，然后被迅速冷卻凝固，顆粒表面變得致密，如圖2（a）所示。如圖2（b）所示，部分球化后粉末表面存在絮狀小顆粒，這是部分原始粉末或團(tuán)聚體小顆粒粘附在大顆粒表面形成的[7]。此外，由于霧化液滴在等離子體焰流中沿不同的軌跡運行，進(jìn)入高溫區(qū)的液滴被氣化，而未進(jìn)入高溫區(qū)的液滴不會完全氣化，因此，部分大顆粒表現(xiàn)為空心的蘋果形[8]。

圖1 感應(yīng)等離子球化處理前后粉末的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM Images of original and spheroidized powder

圖2 粉末球化處理后的表面狀態(tài)Fig.2 The surface of spheroidizing powder

2.3 截面形貌

球化后粉末的截面形貌如圖3所示。由圖3（a）可見，經(jīng)感應(yīng)等離子球化處理后，部分球形粉末內(nèi)部較致密，無任何孔隙，且成分均勻，無第二相質(zhì)點存在，這是由于粉末經(jīng)過感應(yīng)等離子焰流后，達(dá)到了完全熔化狀態(tài)，在此狀態(tài)下，孔隙揮發(fā)，元素擴(kuò)散充分，增加了粉末的致密性。由圖3（b）可見，部分大顆粒呈殼型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為空心狀態(tài)，粉末外壁較厚，且存在孔隙，這可能與感應(yīng)等離子體功率較低或液滴在等離子體高溫區(qū)停留時間較短有關(guān)。如何通過工藝控制獲得具有單一致密、實心結(jié)構(gòu)或單一帶有孔隙的空心結(jié)構(gòu)，還有待繼續(xù)深入研究。

圖3 球化后粉末的截面形貌Fig.3 The Cross section of spheroidized YSZ powder

2.4 相分析

球化處理前后粉末的XRD分析結(jié)果如圖4所示，由圖可見，球化前后納米YSZ的相結(jié)構(gòu)保持一致，感應(yīng)等離子球化處理并沒有改變納米YSZ粉末的相結(jié)構(gòu)，處理前后均為四方相和少量單斜相。

圖4 球化前后納米YSZ粉末XRD圖譜Fig.4The XRD patterns of of original powder and spheroidized powder

3 結(jié)論

（1）原始顆粒為30～50nm 的ZrO2粉末，將其與無水乙醇按1:1.5的比例配制成液體漿料，采用液體送粉方式，經(jīng)感應(yīng)等離子球化處理后，可以得到分散性良好，球形度較高，粒度分布范圍在40～100μm的團(tuán)聚體粉體；

（2）經(jīng)感應(yīng)等離子體球化處理后得到的納米ZrO2團(tuán)聚體粉末有兩種類型，一種為致密、實心結(jié)構(gòu)，另一種為帶有孔隙的空心結(jié)構(gòu)；

（3）采用液體送粉方式對納米ZrO2粉末進(jìn)行感應(yīng)等離子體球化處理，不會改變的粉末的相結(jié)構(gòu)，處理前后均由四方相和少量單斜相組成。