喷涂氧化铝粉体及其在等离子焰流下的变化

2002年第7期　　　　　　　　　　　　　　　轻　金　属　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　·9·

·氧化铝氟化盐·

喷　涂　氧　化　铝　粉　体

及其在等离子焰流下的变化

罗玉长

(山东铝业公司研究院,山东淄博255061)

摘要:用烧结法生产喷涂氧化铝。试验采用水冷非转移式等离子喷枪,工作气体N2、H2,其纯度99.9%。稳定相α-Al2O3,经等离子焰流熔融、淬冷后,转变为亚稳相γ-Al2O3,经试验确定,Al2O3的相变历程如下。

关键词:喷涂氧化铝粉体;等离子体;相变;球化低钠氧化铝

中图分类号:TF801.1　文献标识码:A　文章编号:10021752(2002)07

000704

AluminaPowderforSputteringandIt′sChangeinPlasmaFlame

LUOYuchang

(ResearchInstituteofShandongAluminiumCo.ZIBO,Shandong255061China)

Abstract:Productionofaluminaforsputteringwithsinteringprocess.Inteststhewatercoolingnon-transferencetypespraygunwasused,workinggaseswereN2,H2,theirpuritywas99.9%separately.Aftermeltedbytheplasmaflameandquenched,thestabilizingphaseofα-Al2O3istransformedtosub-stabilizingphaseγ-Al2O3andsphericallowsodiumalumina.Thetestsshowthattheprocedureofthephasetransfomationisasfollowing:

Keywords:sputteraluminapowerd,plasma,phasechange,sphericallowsodiumalumina

　　等离子体在航天、导弹、原子能科学领域中已得到成功的应用。正因为等离子体具有高温、高热焓、高速、高密度,等离子冶炼已引起人们的注视。它能简化一系列的多阶段过程,如用等离子喷雾法制取

低钠氧化铝〔1〕,制取粒度为0.01～0.05μm的TiN〔2〕,球化U3Si2粉体〔3〕。在金属表面喷涂高温无机涂层是解决金属材料“热障”问题的重要方法。由于Al2O3涂层具有耐高温、绝缘性能好、抗温度急变、耐冲刷等特性,故Al2O3是最常用的耐高温防热涂层之一。特别是当既需要有耐磨强度,又要有耐火度时,就需要用Al2O3涂层。Al2O3对不锈钢、钛、镍铬钢的附着力极强,对普通钢、铁、铝、铜的附着力

收稿日期:2001-08-27

也很好。

氧-炔火焰喷涂的速度约为100m/s,而等离子焰流的喷射速度通常接近音速,本试验的火焰速度为540m/s。本文报道了碱石灰烧结法生产喷涂氧

化铝的作业程序、氧化铝涂层的物相组成、等离子焰流下氧化铝的相变、球状低钠氧化铝的制取。

1　实验

1.1　等离子体发生器工艺参数

采用水冷非转移式等离子喷枪,电气设备为硅整流磁放大电气系统。喷涂(或喷雾制粉)规范:

阴极采用钍钨合金(Υ10mm),阳极采用纯铜。

　　　　　　　　　　　·10·罗玉长:喷涂氧化铝粉体及其在等离子焰流下的变化　　　　　　2002年第7期

喷嘴内径6mm。

工作电流175A,电压95V

用N2、H2为等离子体载气,气体纯度99.9%。

送粉系统为振动式送粉器,以N2气作Al2O3粉体的载气。

捕粉介质为离子交换水、室温冷却。1.2　X射线衍射仪工作参数

管压40kV,管流25mA,量程3KCPS,Cu靶,扫描速度4度/分,取样点间隔0.02度,散射狭缝1度,接收狭缝0.3mm。

2　喷涂氧化铝粉体

碱石灰烧结法生产Al2O3,是复杂的化工过程,喷涂Al2O3粉体的生产流程如图1,所示。航天、国防、石油、化工等工业,要求金属元件喷涂Al2O3后能提高在高温、高压、强腐蚀条件下的使用寿命。因此,喷涂Al2O3粉体的粒度、晶相含量、化学成分等均有严格要求。

图1　喷涂Al2O3粉体生产流程

表1　喷涂Al2O3粉体的技术指标及技术要求

技术指标,%技术要求,%

Al2O3≥98.4

SiO2≤0.06

Fe2O3≤0.05

Na2O≤0.20

α-Al2O3

≥50

40～75μm≥80

650℃焙烧获得的γ-Al2O3,图谱背景较高,宽度

3　等离子焰流下氧化铝粉体的变化

　　多种Al2O3水合物,在空气中以10℃/min的加热速度,是亚稳相γ-Al2O3和稳定相α-Al2O3转

化。当物料冷却,此过程是不可逆的。而在等离焰流下,α-Al2O3却向γ-Al2O3转变;有效密度从3.920降低为3.543。

大,峰较宽,对称性差,2θ=19～21°、2θ=59～62°,峰形不明显,在2θ=31～41°,峰形重叠,呈现弥散的“馒头峰”。

X射线衍射分析表明,α-Al2O3经等离子体焰流熔融、淬冷后,得到γ-Al2O3,其d值为4.55×10-1nm,2.80×10-1nm,2.42×10-1nm,2.39×10-1nm,2.28×10-1nm,1.99×10-1nm,1.52×10-1nm,1.39×10-1nm等。

由α-Al2O3经等离子体焰流熔融、淬冷得到的γ-Al2O3,比表面积只有1.5m/g,X射线衍射谱背

景低、宽度小、峰形尖税、对称性好,d值与JCPDS卡片数据相符。表明等离子焰流下可获得高结晶度、结构完整的γ-Al2O3。若用其他方法来制取这种γ-Al2O3,将是较困难的。

α-Al2O3向亚稳相γ-Al2O3转变,是由于Al2O3熔融液滴急剧淬冷引起的。处于急剧运动的活泼的原子来不及形成相当于α-Al2O3的配位体,而以亚稳结构的γ-Al2O3出现。这种γ-Al2O3具有很强的活性及吸附性能。光学性能N为1.73～2

图2　γ-Al2O3的X射线衍射图

1———α-Al2O3经熔融淬冷制得的γ-Al2O3;

2———一水软铝石焙烧制得的γ-Al2O3。

X射线衍射谱(图2)表明,由一水软铝石经2002年第7期　　　　　　　　　　　　　　　轻　金　属　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　·11·1.66。

为研究Al2O3涂层的物相组成,将40～75μm的α-Al2O3粉喷涂在45号钢表面,喷嘴与钢表面的距离为90～120mm,喷射角45度,涂层厚度0.3mm。Al2O3涂层经X射线衍射分析,涂层由α-Al2O3、γ-Al2O3组成,d值与JCPDS卡片数据相符。X射线定量分析,喷涂前Al2O3粉体α-Al2O3相97.4%,而涂层α-Al2O3含量为30.3%。涂层中的α-Al2O3数量与喷距有关,喷距越短,α-Al2O3含量越高。涂层Al2O3的X射线衍射图示于图3。

应当指出,等离子焰流下Al2O3的相变是复杂的,随着生产等离子条件的不同,枪体结构的改变,粉体冷却制变的差异,喷涂Al2O3粉体的晶型及粒度组成等,都会影响物相组成,淬冷得的γ-Al2O3经800℃转变为δ-Al2O3,再经1100℃热处理,转变为α-Al2O3。

Na2O0.750.650.660.450.460.450.430.420.400.390.350.200.070.12

差,通过高频振荡器的激发,使喷嘴与电极之间产生电弧。电弧经压缩成高度电离的青白色气体弧柱,其温度达10000～30000℃,经中国科学院测定,160A的等离子焰流中心温度为15727℃。国外移

动电弧式喷枪可达33300℃,从而它能熔化、气化目前已知的任何固体材料。然而,用等离子热源使熔点为2050℃的Al2O3熔融、雾化,并使其晶间碱、结晶碱、吸附碱随雾化过程而被除去,生产具有特殊用途的低钠Al2O3便是不言而喻的了,从而使制取低钠氧化铝粉体的多个阶段简化为一步完成。试验结果见表2。

表2　含碱氧化铝经等离子焰雾化后的降碱效果

原料Al2O3的化学成分,%

Fe2O30.050.050.050.040.050.030.040.040.030.030.030.050.020.02

SiO20.080.070.060.060.060.040.040.040.050.040.030.060.030.03

Al2O3熔融雾化后的化学成分,%Na2O0.030.030.020.020.030.030.020.020.030.030.020.010.010.01

Fe2O30.050.050.050.040.050.030.040.040.030.030.030.050.020.02

SiO20.070.070.060.050.050.030.040.040.050.040.030.060.030.04

图3　Al2O3涂层的X射线衍射图

1———原料α-Al2O3

2———涂层γ-Al2O3+α-Al2O3

表2数据说明,含碱的Al2O3粉体经等离子焰流熔融、雾化,可制得含Na2O很低的氧化铝,而SiO2、Fe2O3的含量却变化甚小。虽然原料Al2O3的Na2O含量在0.07%～0.75%,但经等离子焰流脱钠之后,均可获得Na2O≤0.03%的球状低钠氧化铝。

这种球状低钠氧化铝,又是一种绝缘性能很好,耐高温的涂料。采用阴极电泳涂覆法,在电场的作用下,Al2O3粉体定向移动,涂覆在钨丝表面,因颗粒为球状,使涂层结构致密、均匀。经上海电子管厂应用、测试,等离子法制得的Al2O3粉体,其质量优于经历19道工序得到的刚玉微粉。

高温、高压的等离子焰流在通过喷嘴时,将压力转变为速度,即流体的动能转变为Al2O3粉体的表面能,液滴骤冷后形成球状Al2O3。要获得稳定相α

3.2　形成球状低钠Al2O3

低钠Al2O3是生产高强度高硬度速切削陶瓷刀、耐温耐压绝缘器件、电子基片、火花塞的原料。因赋存于Al(OH)吸附碱,煅3中的晶间碱、结晶碱、烧后得到的Al2O3粉体,其Na2O含量达不到非冶金行业希望Na2O<0.1%的要求〔4〕,若要制得Na2O<0.03%的Al2O3粉体,不仅工艺过程复杂,而且在生产过程还会使Al2O3被其他杂质污染。如果要生产球状低钠Al2O3粉体,在通常的煅烧条件下是很难实现的,而在等离子焰流下却能使熔融的Al2O3液滴球化,并使粉体的Na2O<0.03%。

当开启电源后,电极与喷嘴之间有较高的电位　　　　　　　　　　　·12·罗玉长:喷涂氧化铝粉体及其在等离子焰流下的变化　　　　　　2002年第7期-Al2O3,在喷嘴前增设热处理装置,其温度大于1100℃。等离子喷涂已得到广泛应用,并积累了丰富的经验,而等离子冶炼却处于试验阶段,需进一步探讨。

⑶含碱的Al2O3粉体经等离子焰流熔融、雾化,可获得Na2O≤0.03%的球状低钠Al2O3。

参考文献:

〔1〕罗玉长,朱春楷.等离子喷雾法制取低钠氧化铝新工艺的探讨.工

业陶瓷,1990(2):13～16.

〔2〕朱联锡.等离子法制取氮化钛.稀有金属,1985,(5):13～15.〔3〕孔常静,宁伟建,吴彬,纪崇甲.直流电弧等离子体球化U3Si2粉

体.中国粉体技术,2000,6(4):44～46.

〔4〕罗玉长,毕亚娟,罗鹤鹏.Na2O在Al(OH)3颗粒中的赋存状态及

煅烧过程的行为.粉体技术,1995,1(5):12～17.

4　结语

⑴烧结法生产的Al2O3粉体经颗粒分级,制得

适宜等离子喷涂的Al2O3。

⑵稳定相α-Al2O3粉体经等离子焰流熔融,淬冷后,转变为高结晶度、结构完整的亚稳相γ-Al2O3粉体。

(责任编辑　杜雅君)

(上接第8页)

5　结语

矿产资源的开发是一个复杂的系统工程,必须根据各矿的地质状况等,进行科学统一规划,采用较先进的开采技术和加工工艺,优化投资、降低成本、保护环境、复垦土地,使产品在国际上具有强劲的竞争能力,同时贯彻落实我国可持续性发展战略方针。贵州有着丰富的水力、煤炭、铝土矿资源等,发展铝工业的优越条件。贵州铝厂是省内铝土矿的主要用矿大户,只有贵州铝厂有更大的发展,贵州省铝工

业、贵州的经济建设才能有更大的发展,铝土矿资源才能得以充分合理地利用。

参考文献:

〔1〕陆厚华.合理利用我国铝土矿资源之探讨.第三届全国轻金属冶

金学术会议论文集〔C〕.广西:平果铝厂.1995.

〔2〕魏炳忠.我国铝工业的优势与美好前景.第三届全国轻金属冶金

学术会议论文集〔J〕.广西:平果铝厂,1995.

〔3〕吴光耀.论黔中地区铝土矿资源开发利用〔J〕.贵铝科技,1992,2.〔4〕刘丕旺,裴昱,李公开,张伦和,刘惠中.铝土矿预脱硅分选新工艺

及工业应用前景〔J〕.轻金属,2001,9.

(责任编辑　杜雅君)

·书讯·

2000年度、2001年度《轻金属》杂志合订本,分别收录了当年刊载的轻金属业界的新技术、新工艺及先进

的生产管理方面的论文数百篇。主要内容包括轻金属矿山、氧化铝、电解铝、镁硅钛、碳素、轻合金及加工、轻金属设备、控制。还刊载了大量的国际、国内轻金属行业的技术信息。

每年度合订本工本费110.00元/套,需要订阅的单位或个人请直接与《轻金属》编辑部联系。

联系电话:(024)23253041-2256　联系人:杜雅君　通信地址:辽宁省沈阳市和平北大街184号　邮政编码:110001