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热喷涂陶瓷涂层

热喷涂陶瓷涂层
热喷涂技术是材料科学领域内表面工程学的重要组成部分，它是一种表面强化和表面改性的技术，通过在金属基体表面喷涂一层涂层使金属具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。热喷涂技术主要用于高温、耐磨、耐腐蚀等部件的预保护、功能涂层的制备及对失效部件的修复等。

    热喷涂工艺方法中应用较广泛的有火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂和超音速喷涂技术。火焰喷涂是通过火焰喷枪实现的，喷枪通过气阀分别引入乙炔、氧气或压缩空气，乙炔和氧气混合后在喷嘴出口处产生燃烧火焰，引入的粉状或棒状涂材在火焰中被加热熔化后，在焰流的作用下形成雾状小液滴被喷射到基体表面形成涂层。电弧喷涂所用的两根线状材料涂层材料由送丝轮自动导入，当在两线状材料之间通过大电流时将产生电弧，线状材料在电弧的高温作用下迅速熔化，并由压缩空气作用成小液滴被喷射到基体表面形成 涂层。等离子喷涂适用于粉状涂层材料，等离子喷枪将电能转化为热能，产生高温高速的等离子焰流，其等离子焰流温度可高达50000℃，能熔化所有的喷涂材料。爆炸喷涂是利用可燃性气体与氧气混合物点火爆炸提供的能量，将粉体喷射到基体表面而形成涂层。超音速火焰喷涂方法因具有很高的粒子撞击速度，使得涂层结合强度、硬度、致密性、耐磨性都得到了改善。

    大多数陶瓷材料具有离子键或共价键结构，键能高，原子间结合力强，表面自由能低，从而赋予了陶瓷材料高熔点、高刚度、高化学稳定性、高绝缘绝热能力、热膨胀系数小、摩擦系数小等特性；但与金属材料相比，其塑性变形能力差、对应力集中和裂纹敏感。显然，用陶瓷作为机械结构材料，其可靠性比金属材料差，机械加工困难，成本高。然而，采用热喷涂技术，在金属基体上制备陶瓷涂层，能把金属材料的特点和陶瓷材料的特点有机地结合起来，获得复合材料结构。由于这种复合材料结构具有异常优越的综合性能，使得热喷涂技术迅速从高尖领域扩展应用到能源、交通、冶金、轻纺、石化、机械等民用工业领域。

    陶瓷涂层技术的特点与整体结构陶瓷材料相比，陶瓷涂层技术具有如下特点：1.能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等和陶瓷材料的耐高温、耐磨和耐腐蚀等特性结合起来。2.合理选择涂层材料和适宜的喷涂工艺，可以获得各种功能的表面强化涂层。3.不受基体的限制：用于热喷涂的基体材料可以是金属、陶瓷、水泥、耐火材料、石料、石膏等无机材料，也可以是塑料、橡胶、木材、纸张等有机材料。4.不受工件尺寸和施工场所的限制。5.涂层沉积速率快，厚度可控，工艺简单。6.陶瓷涂层的可加工性好，且涂层损坏后可再进行喷涂。

    热喷涂陶瓷涂层技术的应用领域十分广泛，主要有：1.热障涂层。航空发动机的关键部件是高温合金涡轮叶片和涡轮盘，这些受热部件处于高温、氧化和高速气流冲蚀等恶劣环境中。对于承受温度高达1100℃的燃气轮机部件，已超过了镍基高温合金使用的温度极限（1075℃），有效的解决办法是涂敷绝热性好的高熔点陶瓷涂层，称热障涂层。热障涂层主要用于航空、舰船及陆用燃气轮机的受热部件以及民用内燃机、增压涡轮、冶金工业用喷氧枪等器件。2.抗高温黏着磨损涂层：热处理炉辊、支承辊、烧结炉辊等高温辊子多在800℃－1200℃高温下运行，采用热喷涂技术，在高温炉辊表面喷涂特种陶瓷或金属陶瓷涂层，具有良好的耐高温、抗氧化、抗黏着、防节瘤和自清理净化功能，既可显著提高炉辊使用寿命，又能生产表面光洁质量优良的钢材。3.耐磨损耐腐蚀涂层:化工厂用高压往复式计量泵柱塞，采用喷涂Al2O3-TiO2复合涂层代替传统的镀铬工艺，其使用寿命提高了6倍。在低应力滑动磨损和磨蚀工况下，几乎所有原有镀铬的制品都可以用热喷陶瓷涂层代替。4.功能涂层：等离子喷涂超音速喷涂超导陶瓷涂层都已应用成功。超导陶瓷涂层在磁屏蔽、微波元件、各类传输器、量子电子器件等方面显示出良好的应用前景。在0.1mm的铁片上喷涂30μm的BaTiO3涂层，其介电常数超过了6000，已广泛应用于陶瓷片式电容器。等离子喷涂形成的Al2O3涂层在厚度不到1mm时，能够在1300℃的高温下耐电压2500℃以上，满足了高温电绝缘的要求。在钛合金基体上喷涂50~75μm羟基磷灰石等生物活性陶瓷，提供了良好的化学相容性，因此，可作为比较理想的人工骨骼材料加以利用。

热喷涂-涂层封孔剂（1）

对很多热喷涂涂层来说，封孔是一项必要的后处理过程。当涂层面临腐蚀及氧化(有时处于高温)环境时，封孔是涂层设计必需要考虑的一项内容。本文涉及到封孔作业的目的和要求；介绍了封孔剂的种类、性能、施工要点、选择依据及应用范围。
任何一种热喷涂方法，尤其是燃气一氧焰喷涂(即火焰喷涂)所沉积的涂层，都是一种有孔结构。总体而言，涂层孔隙度范围相当大。燃气一氧焰喷涂层有时高达15％以上，而高速氧一燃气喷涂(HVOF)层则在1％以下。在实际应用中，有孔结构有时是有利的。涂层孔隙有助于贮油，促进润滑，减少磨损；在某些特殊应用中，利用热喷涂制取多孔材料，用于热交换装置或其它元件。然而，在更多的情况下，涂层的孔隙是不希望的。当涂层暴露于大气、蒸汽、工业气氛、化学活性物质、腐蚀气体及高温环境中，孔隙引入腐蚀元素，使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀，导致涂层失效，在这种情况下，必须对涂层进行封孔。
作为热喷涂的一种后处理工序，封孔作业的主要内容是封孔剂的选择和施工方法。如果某些工件喷涂后还需要车削或磨削时，封孔应在此之前实施，以防涂层孔隙污染，保证更好、更干净的磨削光洁度。当喷涂陶瓷涂层用于绝缘的情况下，封孔能维持涂层的介电常数。否则，涂层孔隙将会吸湿或遭污染，形成涂层中不希望的导电通道。此外，对于泵或液压机等设备，封孔还防止液体和压力的密封泄漏。
一、封孔剂的性能要求
封孔剂的种类较多，为了达到良好的封孔效果，封孔剂必须满足下列要求：
1．有足够的渗透性
因为孔隙弯曲又细小，没有足够高的渗透性，难以充填到必需程度。
2．耐化学溶剂的作用
因为涂层本身就处于某种化学和溶剂的腐蚀介质中，封孔剂若不能经受这些介质的侵蚀，封孔即告无效。
3．能经受一定的机械作用
即封孔剂不因机械作用而脱落或碎裂。
4．在工作温度下性能稳定
即封孔剂不能在操作温度下发生溶化、蒸发或分解等物理变化。
5．不能与涂层或基体发生化学反应
在工作环境下与涂层和基体保持化学稳定性。
6．不降低涂层或基体金属的性能。
7．当涂层用于食品行业时，对食物无毒。
8．施工时，保证安全。
二、封孔剂的选择及施工要点
一般来说，所有封孔作业应在喷涂之后磨削之前实施。除微晶石腊封孔剂外，其它所有封孔剂应在工件温度低于80℃时进行，以防溶剂迅速蒸发或封孔剂过早固化。空气干燥型的甘油酯树脂，在其机加工时产生的热会使它过早的非均匀性的固化，因之，该封孔剂应在磨削后固化，除此之外的所有封孔剂，应予磨削前固化。用于防腐涂层的封孔剂，在投入使用前必须充分固化。一般的封孔剂无危险性，但有些是易挥发的和易燃的，在贮存和使用过程中，应格外小心慎重，勿近明火或受热。使用中要充分通风，以免影响正常呼吸。封孔剂大体分有机和无机两种。对封孔剂做出选择的主要依据是所处介质的腐蚀情况及工作温度。有机封孔剂主要是乙烯树脂、酚醛、改进型环氧树脂及聚氨树脂等，它们多是用于钢铁基体锌或铝涂层的封孔，工作温度不高，处于大气氧化、工业气氛、海水等环境；对于高温氧化介质，则用沥青基铝浆、铝硅酮树脂及某些硅酸盐、铬酸盐等无机物，最高工作温度可达980°C。不同封孔剂有不同要求，大体遵循以下几点：
1．很多封孔剂需要稀释剂冲稀，以保证良好的渗透性。
2．涂层封孔之前，最好用蚀洗涂料(通常是磷酸)作预处理，以形成一种复合的磷酸盐化合膜，有助于封孔剂的粘结。
3．不少封孔剂掺有片状铝粉，以改善封孔剂的耐温及抗蚀性能。
4．封孔剂可以用喷枪喷涂、用毛刷抹涂或用淹没进行浸渗，其中有些用上述三种皆可，有些则只能用其中一种或两种。根据需要，有时只需涂一道，有时两遍或更多。
5．为加大渗透性，有些采用真空渗透操作。
6．封孔剂有单组份与双组份、空气干燥与烘烤固化之分，在使用中一定要正确掌握每步程序。
三、封孔剂主要种类及性能
世界上首家向市场推出系列化封孔剂产品是美国METCO公司(现SULZER METCO)，其封孔剂系列已有相当规模，并成功使用多年。我国尚未形成系列化、规模化的封孔剂产品。由于涂层封孔是热喷涂技术中的重要一环，这项工作急待开发与推动。参照国外相关产品，将重要的几种封孔剂介绍如下：
1．空气干燥型甘油酯树脂
特 性：树脂含量高达95％，渗透与填孔能力很高，封孔后可直接加工，机加工性能明显改善。
工作温度：连续工作145°C。
封孔剂用量：11．6m2／升／0．6mm
施工方法：浸、刷或喷均可。常温操作，涂层表面要干燥、清洁。根据需要，实施第一道后，经15分钟，可再实施第二道。
固化程序：常温下空气干燥，需经一周方能完全固化；若在145°C下烘烤，1小时可固化。
典型应用：工作环境为稀酸、溶剂、油类和盐水等弱腐蚀介质，温度不超过145°C。
2．空气干燥型酚醛树脂
特 性：是一种改性的空气干燥型酚醛漆。适用于金属和陶瓷涂层，润湿性好，粘结性强，化学稳定性好，有较强的耐腐蚀性和抗冲击性。在很多有机物中保持稳定。
工作温度：连续工作145～205°C，间断工作205～260°C
封孔剂用量：7.4～8.0m2/L。
施工方法：刷或喷均可。喷涂时要用甲酮、芳香烃和无水乙醇作稀释剂进行稀释，用量为1／2～1／3。
固化程序：空气干燥30～60分钟，但完全固化需1～10小时，取决于封孔剂厚度。若在135摄氏度左右温度下烘烤，只需15～30分钟。
典型应用：适用于热水、盐雾、酸、油、汽油和油脂等工作环境，对高压工作状态适应性强。
3．铝乙烯树脂
特 性：是一种抗腐蚀性的、空气干燥型含铝乙烯共聚物，常用于锌与铝的面漆，而与其相对的底漆是钝化铬酸锌浆料。
封孔剂用量：5.5m2/L。
工作温度：不超过80°C。
施工方法：加压喷涂或涂刷。
固化程序：干燥30分钟，稀释剂为二甲苯或甲酮。
4．钝化铬酸锌
特 性：是针对铝乙烯树脂面漆用的底漆。空气干燥型，因其能生成多孔膜，对面层封孔剂提供强粘结作用。主要成分是铬酸锌。
封孔剂用量：6.0～7.4m2/L。
典型应用：作为底漆与铝乙烯树脂面漆配合使用，对处于工业大气、盐雾气氛和非饮用水等介质中钢铁结构或设备的铝锌涂层提供封孔保护。 

 5．烘烤型的酚醛树脂
特 性：用于金属和陶瓷涂层的封孔，是一种烘烤型的合成酚醛料浆。就保护性能来说，烘烤型要高于空气干燥型。在很多有机物介质中都保持良好的化学稳定性(但不耐碱)，耐热性好。主要成分是酚醛及芳香经。
工作温度：连续工作可达145～205°C，间断工作为205～260°C。
封孔剂用量：4.6m2/L。
施工方法：刷与喷均可。喷涂时用25％的异丙醇进行稀释。对单道涂层在230℃烘10分钟或205°C烘20分钟；对多道涂层，底层在145°C烘10分钟，面层190°C烘60分钟。
典型应用：与干燥型酚醛树脂相同，适用于沸水、盐雾、酸、油、汽油和油脂等介质。
6．沥青基铝浆
特 性：是一种高熔点、含沥青的漆料，主要成分是片状铝粉、沥青煤焦油及相应溶剂。
封孔剂用量：4.9～7.4m2/L。
工作温度：870～980°C。
施工方法：喷或刷均可。喷涂时用矿物醇稀释，以二道为宜。
典型应用：当基体是钢铁、镍或镍铬合金，涂层是铝，而且处于高温氧化、高温含硫气体腐蚀的环境下，这种封孔剂为首选者。
7．硅铝树脂
特 性：是一种空气干燥型的含片状铝粉的硅树脂，在抗氧化气氛中较为耐高温的封孔 剂。
封孔剂用量：3.6m2/L。
工作温度：480°C。
施工方法：刷或喷，每道厚度0.018 - 0.02mm。刷涂不用稀释，喷涂时则需用乙醇、芳香经与甲酮冲释，稀释剂用量为1／3。
8．空气干燥型硅树脂
特 性：为双组份的硅树脂，推荐用于中等腐蚀或在205°C以下的温度并长期暴露于空气中的环境中，耐稀酸、碱、油类、液流、水和盐水等介质的腐蚀。固体含量为25％。
封孔剂用量：5.0 - 11.6m2/L(与涂层孔隙度有关)。
工作温度：长期工作温度为205°C。
施工方法：双组份，可用喷涂法或浸泡法，在室温下空气干燥约1小时，但充分固化需3天，在145°C烘2小时可加速固化。
9．烘烤型聚酰亚胺树脂
特 性：属于烘烤型聚酰亚胺树脂，用于较弱或中等程度的腐蚀环境。固体含量高达30％，粘度低、渗透性好、成膜坚固。对水、溶剂、有机物、无机油类、燃料、液流和稀酸等介质十分稳定。
封孔剂用量：5.3 - 9.5m2/L／0.6mm。
工作温度：长期工作温度260°C。
施工方法：可浸泡、喷涂或刷抹。在室温中操作，直到涂层表面不吸收为止，15分钟之后，
再封一次。室温固化时间8小时，180°C则需2小时。
典型应用：适用于石化系统及造纸工业中的输送泵类，具有耐腐蚀性及耐磨性。这些泵在苏打灰浆、氢氧化钙、氢氧化镁和氢氧化钠等碱性料液中运转。
10．微晶石腊
特 性：是一种隋性的、石油基微晶石腊，对涂层提供封孔和润滑。在淡水、海水和几乎所有的酸与碱中都保持稳定，但不耐溶剂及经类物质的腐蚀，特别适用于高压润滑环境。在不能施加润滑剂的情况下，它能提供有效的“干润滑”。
封孔剂用量：10m2／kg。
工作温度：不超过80°C。
施工方法：将工件预热到95°C之后，在表面直接涂抹。
典型应用：通常用来对轴类或其它工件封孔，以确保车削或磨削清整，防止砂粒进入孔隙，同时又具有良好的抗腐能力。

发布日期：2008-6-14　【返回】