等离子涂层表面耐高温封孔剂的制备研究.pdf

5 0 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 等离子涂层表面耐高温封孔剂的制备研究 王辉，赵晓东，刘富荣，曾克里 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要以正硅酸乙酯为原料，盐酸为催化剂制备了用于耐高温封孔处理的S i O z 溶胶，封孔处理后的涂层 致密，表面光洁度好。对封孔前后涂层性能的测试表明经过封孔后，大幅度提高涂层耐酸和耐高温性 能，增强了涂层对基材的保护作用。 关键词热喷涂；S i O 溶胶；封孔剂 中图分类号T G l 7 4 ．4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S o 0 0 5 0 一0 3 P r e p a r a t i o no fS e a l i n gR e a g e n to nP l a s m a S p r a y e dC o a t i n gf o rH i g hT e m p e r a t u r e W A N GH u i ，Z H A OX i a o - d o n g ，L I UF u r o n g ，Z E N GK e - l i B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t i o no fM i n ea n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n gH C la sc a t a l y z e r ，s i l i c aS O lw e r ep r e p a r e dw i t ht h et e t r a e t h y lo r t h o s i l i c a t eS O l g e l T E O S ．T h es o lw a su s e df o rs e a l i n gt r e a t m e n ts p r a y i n gc o a t i n ga th i g ht e m p e r a t u r e ，t h ed e n s i t ya n d s u r f a c ef i n i s hq u a l i t yo fc o a t i n gw a si m p r o v e d ．T h et e s tr e s u l to ft h ep e r f o r m a n c eb e f o r ea n da f t e rc o a t i n g s e a l i n gt r e a t m e n ts h o w st h a tt h er e s i s t a n c et oa c i da n dt h er e s i s t a n c et oc o r r o s i o na th i g ht e m p e r a t u r eare i m p r o v e dg r e a t l ya f t e rs e a l i n g ；m e a n w h i l e ，t h ep r o t e c t i o no fc o a t i n go nm a t r i xi si n t e n s i f i e db yc o a t i n g s e a l i n gr e a g e n t ． K e y w o r d s T h e r m a ls p r a y i n g ；S i 0 2 一s o l ；S e a l i n gr e a g e n t 表面技术是一门科学，而等离子喷涂技术在表 面改性技术中占有重要的地位。通过在材料表面喷 涂不同材料制备得到的涂层，可以有效地保护基体。 然而并非所有的等离子喷涂涂层都十分致密，有些 涂层存在许多孔隙。如带钢连续热镀锌设备中的沉 没辊等长时间工作在4 5 0 ℃以上的锌液中，为了防 止锌液对轧辊的腐蚀，提高轧辊的耐磨性和耐高温 性，一般采用在轧辊表面喷涂金属碳化物口] 。而等 离子制备获得的氧化锆陶涂层，更是由大量的细小 均匀的孔洞组成[ 2 ] ，在使用过程中，腐蚀介质会通过 这些微孔渗入到基体而造成基体的腐蚀，使涂层的 使用寿命大大降低，甚至会导致涂层皲裂、脱落，造 成涂层失效[ 3 叫] 。因此，为阻止腐蚀介质对基体的 侵蚀，提高涂层的耐腐蚀性能及扩大其在特殊环境 下的应用范围，必须对涂层进行封孑L 处理[ s ] 。 作者简介王辉 1 9 8 3 - - ，男，甘肃永登人。硕士研究生． 然而有机封孑L 剂不耐高温且耐磨能力有限，在 一些需要耐高温高压耐腐蚀耐磨损的恶劣条件下， 陶瓷材料喷涂后的封孔问题目前还不是很好解决。 且受环保法规对有机挥发物质 v o c 的限制及热 喷涂层工作的实际环境的影响，封孔剂所用树脂正 朝水性、无机、自固化的方向发展C 6 1 。 采用溶胶一凝胶法封孔处理可增加涂层的致密 度、提高结合强度[ s ’7 ] 。文中以等离子喷涂氧化锆 涂层为对象，开发出一种S i O 溶胶，并进行封孔处 理，对封孔涂层性能进行测试。 1试验方法 以分析纯的正硅酸乙酯 以下简称T E O S 、乙 醇和去离子水作为原料。以H C I 为水解反应的催 化剂，采用溶胶一凝胶法制备了S i O 。溶胶，具体流 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 5 1 程见图1 。 倒匿卜厦岛 黧1S i O , 溶胶的簇警流程蚕 F i g ．1 T h ep r o g r e s so fp r e p a r a t i o no fS i 0 2 - - s o l 1 ．1 试验材料和喷涂设备 采用4 5 8 钢作为等离子喷涂的试样，尺寸为 1 0 0m m X 3 5m m X 2m m 。喷涂设备采用G 譬V 型 喷涂设备系统按设定的程序自动喷涂。金属粘结层 为N i C r A l Y ，陶瓷面层为纳米氧化锆。 金属粘结层 N i C r A l Y 采用超音速火焰K 2 喷 捻嵝涂，其厚魔控铡在1 0 0 ～1 2 0 | 1 1 2 1 。Y S Z 陶瓷霹 层采用等离子F 4 喷检键备，涂层厚度为2 5 0 “ - - 3 5 0 ／j m ，金属工艺技术参数枪管1 5 0 ／1 4 、煤油流量2 2 L ／h 、喷涂距离3 5 0m m 、氧气流量9 0 0L ／m i n ；陶瓷 面层制备工艺技术参数氩气压力0 ．7 5M P a 、氧气 流量3 8L ／m i n 、氢气蓬力0 ．7 5M P a 、氢气流量l 莲 L ／m i n 、送粉流量3 ．5L ／m i n 、喷涂距离1 0 0m m 、电 压7 5 ～7 6V 、电流6 2 5A 、阳极6m m 。 1 ．2 耐高漱封孔剂的制备 本实验以正蔑酸乙酯 T E O S 戈原料，乙醇为 溶剂，盐酸为健亿齐l ，裁备二氧化硅溶胶。将正规酸 乙酯，无水乙醇，去离子水按4 3 1 ．2 8 的比例混 合，加人适爨的催化剂盐酸用于调节溶液的p H ，用 搅拌器搅拌使之均匀混合，形成S i 0 2 溶胶。实验中 的化学试剂及藏料均隽分橱纯。 1 ．3 涂层的封孔处理 利用浸溃一提拉法封孔，即将热喷涂蜃的试样 浸渍在制备好的封孔剂溶液中，浸渍时间2 0S 。在 浸渍的嗣时缓幔提控试样，然后将浸渍后憋试撵在 空气中干燥2 4h ，教人电阻妒中缓慢升瀑至3 0 0 ℃， 并保温1h 腾出炉冷却，即得封孔涂层。 1 ．4 封孔涂层的耐蚀性 将涂封孔荆的试样和未涂封孔粼的试样放入盐雾 试验箱中遴行腐蚀试验。试验条{ 孛鸯№c l 潢量浓 度 5 0 士5 g ／L ，p H 6 ．5 ～7 ．2 ；箱内温度 3 5 士2 ℃、 每个收集器收集溶液1 ～2m L ，试验周期为9 6h 。 2 结果与讨论 2 ．1 溶胶的雅I R 分析 本实验以正硅酸乙酯 T E O S 为原料，乙醇为 溶剂，盐酸为催化荆，制备二氧化磁溶胶。其反应方 程武如下 S i O C 2 珏s ‘ 4 H 2 0 一S i O 瑕 。 4 G H 。O H 水解 n S i O H 4 一 S i 0 2 n 2 n H 2 0 缩水 为了分析溶胶的成键特性，对配制的溶胶样黯 遴符了F T I R 分橱。测试的结采鳐瑟2 所示，在谱 圈上出现主要是凌颟硅羟基和结构、表面水的羟蕊 峰，如在10 0 0c m 州 O H 伸缩振动二级倍频 农 右的较宽的峰。可以看出，在10 0 0e m - 1 附近含爨 酶S i - - 0 一S i 键的镩缩振动吸收蜂霹泼证爨S i 貔 溶殷形成。 芝 蒸 图2S i 0 2 溶胶的红外谱图 F i g ．2 T h eF T I Rc h a r to fS i 0 2 一s o I 2 ．2 差热分析 力了分析溶蔽黪箍重高温性能，瓣配裁的溶胶样 品进行了差热分析。图3 为该溶胶在在10 0 0 ℃下 的热重和差热曲线，从热重曲线肴，在1 0 0 ℃之前有 较犬程度的失重可能为二氧化硅样晶表面的乙醇和 正筑酸乙蘸承怨的残鍪豹。在1 2 0 ℃左右有一个较 大的吸热峰，是磁规酸乙酯迸一步水解的反应。 4 0 0 ℃以后，热流曲线较为平缓，没有大的吸热放热 峰和相的变化，这说明了二氧化硅溶胶封孔剂在商 滠下援较稳定。 0 F i g ．3 1 0 0 8 D 6 0 掌 捌 4 0 承 2 0 0 2 【J 4 0 06 0 08 0 { l0 0 0 温褒／℃ 凌3 热重和差热藏线 T h eD s c T Gc h a r to fS i O , 一s o l 3 2 l O pk毒．墓～聪壤 万方数据 5 2 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 2 ．3 封孔层的形貔褪成分 图4 为封飘前后试样表西的形貌，结果表麓，封 孔后试样的涂层致密，表面光洁魔好，无明显空洞。 封孔前表面粗糙度为4 ．8 ，封孑L 后为3 ．0 ，即封孔后 有效的降低了涂艨表面的粗糙度。进一步研究发 觋，封孔荆可以渗入涂瀑牵的孔隙中起戮填充作魇， 显著降彳氍涂层的孔隙摩，可以屏蔽或减缓矜都腐浊 性介质对涂层及基体的渗透作用，从而对涂层起到 很好的保护作用，延长涂层的使用寿命。 图4 封毳前鑫涂层的表露彩貌 F i g ．4 S E Mm o r p h o l o g yo fc o a t i n gb e f o r ea n da f t e rs e a l i n g 利用E D X 对涂层进行成分分析，如图5 所示，封封孑L 后涂层的成分除了z r 和O 外，还含有s ．，说明封 孔处理前热喷涂涂层的元素组成为Z r 元素和O 元索；孔层是由溶胶凝胶法制备的二氧化硅形成的。 a 嚣魏翦 0 ．U O2468l k e V o 卜 ．L 0l23456 k e V 匿5 封魏前后涂屡嚣羚X 分雾} F i g ．5 E D So fc o a t i n gb e f o r ea n da f t e rs e a l i n g 2 ．5 封孔涂层的耐蚀性 试样经过 3 5 士2 ℃、9 6h 一个周期的盐雾腐 饿试验后，结栗表暖，未经封魏处理酶试徉表嚣商大 爨的锈迹，丽经过封孔处理后的试样表面只有少量 的锈迹，这是基材被腐蚀后流在试样表面的。说明 封孔涂层对集体怒到了良好的保护作用 图6 。 3结论 1 以正规酸乙酯为原料、乙醇为溶剂、盐酸为 催化剂制备了S i O z 溶胶封孔剂。该封孑L 剂的傅立 时红於光谱 F T I R 中含有S i 一0 一S i 键伸缩振动 毅收蜂，证臻垒成7 二氧纯硅溶胶；丽盈对S i 0 。予 凝胶差热分析，4 0 0 * 2 以后，没有吸热或放热峰，即没 有相变化，表明封孔剂具有良好的高温稳定性。 图6 封孔涂层昀腐蚀效莱 F i r , 6 ．I l 硷s u r f a c eo fc o a t i n gb e f o r ea n da f t e re r o d i n g 下转5 6 页 万方数据 5 6 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增翻 2 A 1 。O 。涂层的微观硬度和弹性模慧主要受 涂层的孔隙巍微裂纹的影响，随着电弧功率琴疆喷涂 距离酶增大均呈先增后藏瓣趋势，变托薅势一致。 参考文献 [ 1 ] N o g u e h iK 。N i s h i d aM ，C h i b aA ，e ta 1 ．M i c r o s t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c so fl o w p r e s s u r e p l a s m a s p r a y e d C o N i C r A l Yc o a t i n g [ A ] 。／／P r o c e e d i n g so fI T S C ’9 s [ c ] 。 K o b e ，1 9 9 5 4 1 1 4 1 6 ． [ 2 ] 罗新华，艳国然，居志兰．离子喷涂氧化锅陶瓷组织 D ] - 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