[发明专利]激光熔覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光熔覆技术领域，特别涉及一种激光熔覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法。

背景技术

利用电化学氧传感器实时、在线检测炉气中的氧含量是一种直接有效的方法。电化学氧传感器分为浓差电池型和极限电流型两种，与浓差电池型氧传感器相比，极限电流型氧传感器具有测量范围广、响应时间短、灵敏度高、寿命长、无需参比气体等优点。极限电流型氧传感器分为小孔型、多孔型和致密扩散障碍层型，小孔型和多孔型是通过微小孔隙限制氧分子扩散来实现封闭室内外氧浓度差的，但经常出现孔隙变形和固体颗粒堵塞孔隙的现象，因此在实际应用中受到了限制。采用氧离子-电子混合导体(MIEC)作为致密扩散障碍层可解决小孔型和多孔型存在的缺点，近年来，致密扩散障碍层极限电流型氧传感器成为新的研究热点，其结构如图1所示。

国内外学者就致密扩散障碍层极限电流型氧传感器进行了诸多研究，采用磁控溅射、厚膜涂覆、共压共烧结、放电等离子烧结和瓷片复合等方法制备了以Y₂O₃稳定的ZrO₂(简写为YSZ)为固体电解质的致密扩散障碍层极限电流型氧传感器。Garzon等人分别以La_0.84Sr_0.16MnO₃(LSM)和La_0.8Sr_0.2CoO₃(LSC)为致密扩散障碍层，采用磁控溅射和丝网印刷成膜技术制备了氧传感器。由于磁控溅射制备的致密扩散障碍层很薄，而氧离子又具有较高的迁移率，因此，氧传感器测氧范围较窄。此外，所采用的丝网印刷技术虽然增加了致密扩散障碍层厚度，但是，在高温烧结过程中不但浆料中的有机物会造成很多微小气孔，导致致密度降低。夏晖等人以LSM为致密扩散障碍层，采用共压共烧结法制备了氧传感器。由于LSM与YSZ的热膨胀系数和烧结收缩率不匹配，因此在共烧过程中烧结体出现裂纹，影响氧离子的扩散性能，其测氧范围仅为0～4.8％。Peng等人以Pt/YSZ混合物为致密扩散障碍层，采用共压共烧结法制备了氧传感器，其测氧范围仅为0～6％。邹杰等人分别以LSM、La_0.75Sr_0.25Cr_0.5Mn_0.5O₃(LSCM)等为致密扩散障碍层，采用放电等离子烧结(SPS)技术制备了氧传感器。由于LSM在SPS烧结过程中易被C还原，LSCM与YSZ的热膨胀系数不匹配引起烧结体开裂，因此测氧性能不理想。所谓瓷片复合法是利用铂浆将烧结后的致密扩散障碍层与固体电解质粘结在一起，再通过铂浆的烧结以增强二者的结合性能。这种方法避免了材料间发生有害化学反应和因热膨胀系数不匹配产生的裂纹现象。刘涛等人曾以Sr_1-xHo_xCoO_3-δ为致密扩散障层，以La_0.8Sr_0.2Ga_0.83Mg_0.17O_2.815(LSGM)为固体电解质，采用瓷片复合法制备了氧传感器，获得较好的测氧特性，然而该法制备过程繁琐、周期长，而且常规烧结法制备的致密扩散障碍层含有较多气孔。

激光熔覆技术是指在被涂覆基体的表面添加涂层材料，利用激光束使涂层材料与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固形成稀释率极低且与基体形成冶金结合的表面覆层，从而改善基体材料表面特性的工艺方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中极限电流型氧传感器的致密扩散障碍层制备方法存在的不足，提供了一种激光熔覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法。通过该方法制备的致密扩散障碍层，其组织致密均匀，无气孔，与基体结合强度高，宽度和厚度可精确控制，而且可使基体的热影响区范围和变形减小到最低程度，制造周期短。

一种激光熔覆制备极限电流型氧传感器致密扩散障碍层的方法，包括以下步骤：