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降低熱噴涂涂層孔隙率的方法

嘉峪檢測網(wǎng)        2020-01-13 16:19

隨著人們對工件性能要求的不斷提高,熱噴涂技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。熱噴涂是將熔融或半熔融狀態(tài)微粒以高速沖擊到基體表面,形成具有一定特性噴涂層的表面處理方式。

其噴涂溫度、熔滴對基體表面沖擊速度及形成涂層的材料性能構(gòu)成了噴涂技術(shù)的核心。溫度越高,速度越快,越有利于形成具有優(yōu)異疊加效果的涂層,但疊加粒子之間必然存在孔隙,孔隙會引入腐蝕元素,腐蝕介質(zhì)就有可能通過穿孔到達(dá)被保護(hù)基體表面,使涂層與基體發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)侵蝕,腐蝕產(chǎn)物在界面積累,會使熱噴涂層龜裂、脫落,導(dǎo)致涂層失效,且涂層孔隙的存在影響了涂層結(jié)合強(qiáng)度。

1孔隙形成機(jī)制

孔隙的形成有以下3種機(jī)制變形粒子間不完全重疊、氣孔形成和凝固收縮。涂層是由變形粒子堆疊形成,變形粒子在堆疊過程中往往不能完全重疊特別是對于溫度和速度較低的粒子由于變形不充分,更容易產(chǎn)生不完全重疊從而形成孔隙。

在涂層形成過程中,粒子從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)溫度不斷下降,而氣體熔解度隨著溫度的升高而增大隨著溫度的下降低而減小,變形粒子固化是快速凝固過程,氣體不斷從液相中析出當(dāng)析出氣體來不及從粒子內(nèi)逸出時(shí),便留在變形粒子內(nèi)形成氣孔。實(shí)驗(yàn)證明,當(dāng)粒子內(nèi)有化學(xué)元素能與氣體發(fā)生反應(yīng)生成化合物時(shí),就可減少涂層內(nèi)的氣孔。噴涂材料的液態(tài)密度與固態(tài)密度不同,當(dāng)密度相差較大時(shí),變形粒子凝固時(shí)會發(fā)生收縮。收縮過程中如果沒有多余的液相來補(bǔ)充縮孔,就會形成孔洞。收縮形成的孔洞-般較小基體不良的表面狀態(tài)也會導(dǎo)致孔隙產(chǎn)生,當(dāng)基體表面有深凹坑凹坑內(nèi)存在空氣或者其他氣體時(shí),容易形成孔隙并發(fā)生涂層結(jié)合不良現(xiàn)象

2、降低涂層孔隙率的方法

目前降低涂層孔隙率常用的辦法有熱擴(kuò)散重熔自封閉涂層、改進(jìn)及改善噴涂工藝封孔劑封孔等。

2.熱擴(kuò)散重熔方式

重熔是對成形涂層重新加熱熔化以使涂層更致密的一道工序,是為了消除噴涂產(chǎn)生的孔隙并提高涂層耐腐蝕性及結(jié)合強(qiáng)度。重熔時(shí)將涂層中容易熔化的成分熔化產(chǎn)生液相有助于擴(kuò)散過程中的強(qiáng)化和成分的滲透以及氧化物的造渣,使涂層有一定收縮。熔化結(jié)果使熱噴涂涂層與基體結(jié)合區(qū)由原來堆疊層狀組織變?yōu)橹旅芎洼^為均勻的組織,孔隙減低甚至消失。涂層熔化時(shí)的加熱方式有氣體燃燒加熱、氣氛控制爐加熱以及高頻感應(yīng)加熱等近年來又研制出激光、電子束、等離子束、太陽能等加熱方式。

火焰重熔應(yīng)嚴(yán)格控制過熱,電子束重熔必須在真空室中進(jìn)行,工件形狀受到限制。涂層在高功率激光作用下熔化,同時(shí)使基材微熔從而產(chǎn)生冶金擴(kuò)散結(jié)合并降低孔隙率,且激光重熔層枝晶細(xì)小均勻枝晶偏析度低,可提高成分和相分布均勻性并增加涂層韌性。Al2O3+13%TiO2涂層經(jīng)激光重熔凝固后,陶瓷涂層充分溶解陶瓷涂層中亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)變,涂層孔隙率明顯減低致密度提高,裂紋數(shù)降低,表面平整均勻且陶瓷熔化層表面硬度和耐磨性得到提高。J.Mateos等對等離子噴涂NiCr/Cr2C3涂層后進(jìn)行激光重熔,孔隙率由9.2%降到幾乎為零,涂層硬度有17%提升,耐磨性大為提高。但激光設(shè)備價(jià)格高昂且熱轉(zhuǎn)化效率低限制了其應(yīng)用。

2.利用噴涂材料自身降低孔隙率的方式

某些噴涂材料具有自封閉作用,與基體結(jié)合良好,涂層致密。如Ni-B-Si、Ni-Cr-B-Si,Co-Cr-W-B-Si系涂層。由于B、Si與氧結(jié)合的能力比成分金屬與氧結(jié)合的能力大得多,當(dāng)合金粉末加熱到10001200時(shí),Si、B元素與氧進(jìn)行反應(yīng)或與NiCo等元素的氧化物進(jìn)行強(qiáng)烈脫氧還原反應(yīng),形成氧化硼和氧化硅。

涂層內(nèi)生成金屬氧化物,作為硼硅酸鹽玻璃質(zhì)熔渣熔化后浮在熔化的涂層表面,冷卻后便形成無氣孔涂層。

利用某些輔加元素可以有效地降低涂層孔隙率。研究發(fā)現(xiàn)在氧化鋁涂層和鐵基涂層中加入稀土元素能有效降低孔隙率。等離子噴涂Al2O3粉末中加入0.8%稀土硅鐵可提高涂層耐腐蝕性及細(xì)化晶粒,降低孔隙率及提高結(jié)合強(qiáng)度。這是由于稀土是表面活性元素,它可以降低熔滴的表面張力,提高熔化粒子流動(dòng)性并可提高粒子與基材及粒子間相互潤濕效果,降低涂層的熱膨脹系數(shù)減少涂層內(nèi)應(yīng)力,從而降低孔隙率并提高致密度。北京賽億科技成功研制了含有稀土元素的粉芯絲材,有效地降低了孔隙率。大量文獻(xiàn)指出,Al2O3涂層中加入13%TiO2盡管硬度比純Al2O3涂層低1/3,卻有較低孔隙率、良好致密度和粘接強(qiáng)度,從而表現(xiàn)出更好的耐磨性。而在ZrO2涂層中加入適量的SiO2,大部分SiO2以石英相塞積在涂層孔隙處平行于涂層表面成層狀分布,起到了自封孔作用,能有效隔絕氧化氣氛進(jìn)入涂層。

某些混合陶瓷氧化物在高溫下能形成孔隙率很低的涂層。

高熔點(diǎn)氧化物形成多孔的涂層骨架,而低熔點(diǎn)氧化物則發(fā)生熔融,牢固粘附在第一種氧化物的孔隙中。第二種氧化物還能與第一種氧化物形成固溶體從而形成完整致密的涂層。如MgO-TiO2涂層、Al2O3-Cr2O3涂層等。

某些涂層材料可以利用自身腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行涂層封孔。研究發(fā)現(xiàn),用于海水防腐的Al涂層在海水暴露初期Al涂層鈍化和腐蝕生成的Al2O3Al(OH)3附著在涂層表面限制了腐蝕因子的滲入隨時(shí)間的延長,Al涂層孔隙幾乎全部被其封閉,涂層表現(xiàn)出優(yōu)良的屏蔽性形成穩(wěn)定的阻擋層,有效地延長了Al涂層的使用壽命。

當(dāng)涂層晶粒尺寸達(dá)到納米級時(shí),材料的力學(xué)電學(xué)、熱學(xué)抗摩擦磨損和抗腐蝕等性能都將得到不同程度的提高,使用納米結(jié)構(gòu)粉末噴涂時(shí)可獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度和較低的孔隙率。大量實(shí)驗(yàn)證明,使用納米結(jié)構(gòu)ZrO2粉末等離子噴涂時(shí)可獲得性能優(yōu)異的涂層涂層孔隙率最大可降為低于2%。

2.改善噴涂方法及工藝方式

一般說來,涂層孔隙率是隨噴涂粒子溫度和速度的提高而降低。普通火焰噴涂孔隙率為10%20%電弧噴涂孔隙率為5%15%,等離子噴涂3%8%而超音速噴涂(HVOF)一般可以將孔隙率降到2%以下。近年來又發(fā)展了反應(yīng)熱噴涂及冷噴涂等新方向通過利用鋁熱劑或與涂層粉末發(fā)生反應(yīng)的氣體在噴涂時(shí)發(fā)生反應(yīng)可得到顆粒細(xì)小、分布均勻結(jié)構(gòu)致密的涂層。Erich Lugscheider在真空中以N2為反應(yīng)氣進(jìn)行等離子噴涂TiAl6V4時(shí)發(fā)現(xiàn)TiN2反應(yīng)形成TiN,涂層十分致密孔隙率在1%以下,且由于氮化物存在涂層耐磨性大大提高。冷噴涂是利用高壓氣體通過縮放管產(chǎn)生超音速流動(dòng),將粉末從軸向送入高速氣流中經(jīng)加速后在完全固態(tài)下撞擊基體,通過較大的塑性流動(dòng)變形而沉積與基體表面上形成涂層的噴涂技術(shù)。Van Steenkiste TH等對冷噴涂層的孔隙率進(jìn)行了測定,發(fā)現(xiàn)Al冷噴涂涂層氣孔率約為0.5%Fe涂層為0.1%1%,Cu涂層只有0%0.1%,且涂層含氧量與噴涂前噴涂粉末含氧量幾乎無變化。

噴涂時(shí)選取合適的噴涂距離、主氣流量及送粉器流量走槍速度、電功率粉末顆粒度等參數(shù)對降低涂層孔隙率和提高結(jié)合強(qiáng)度大有幫助。Anand Kullkarni等在等離子噴涂ZrO2時(shí)發(fā)現(xiàn)涂層孔隙率隨粉末顆粒的增大而增大在相同條件下,噴涂速度越快,孔隙率越高這主要是因高速噴涂下粉末熔化不完全所造成;且隨著基體預(yù)熱溫度的升高,涂層孔隙率顯著下降。

而通過對電弧噴涂改進(jìn)噴嘴設(shè)計(jì),采用分離式氣流兩級霧化結(jié)構(gòu)的二次霧化噴嘴與標(biāo)準(zhǔn)的噴嘴相比在噴涂不銹鋼涂層和FeCrAl涂層時(shí),孔隙率可分別由4.8%2.2%降為3.9%1.4%。

2.封孔劑進(jìn)行封孔處理的方式

目前常用的封孔劑一般有有機(jī)和無機(jī)兩大類。

2.4.有機(jī)封孔劑

有機(jī)封孔劑主劑一般用乙烯樹脂、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等,溶劑采用醇類芳香族碳?xì)浠衔?/span>、酯類等。有機(jī)封孔劑有常溫硬化型和加熱硬化型兩類,從涂層封孔的均勻性考慮,采用加熱硬化型封孔劑較好對大型制品施工時(shí)從易操作性考慮,采用常溫硬化型封孔劑效果好。

石蠟是普遍使用的涂層封孔劑,在低工作溫度下用于防止液體滲入并提供潤滑性。能耐鹽水和淡水以及大多數(shù)酸和堿的涂層封孔劑,常用于食品和化學(xué)工業(yè)中金屬涂層封孔和潤滑但不耐碳?xì)浠衔锖推渌袡C(jī)溶劑的涂層封孔劑,不能用于使用油和油脂潤滑的涂層。

環(huán)氧樹脂環(huán)氧酚醛和硅樹脂可用于耐腐蝕涂層封孔,在使用溫度下保持耐蝕性能。煤焦油環(huán)氧樹脂可用于浸漬在淡水或海水中的涂層。催化型環(huán)氧樹脂和聚酯樹脂可用于密封大面積或不能烘烤的涂層催化劑應(yīng)與噴涂的金屬和使用環(huán)境相適應(yīng)。

酚醛樹脂溶液改變成分可以空氣干燥和烘烤方式使用使用溫度為150260℃。樹脂固化后具有良好的耐有機(jī)溶劑和弱酸能力。通常烘烤型比空氣干燥型有更好的保護(hù)性能。低粘度樹脂在6%12%Al2O3涂層中,5min內(nèi)的滲入深度已可達(dá)0.75mm。Sugehis Liscano等分別以苯酚樹脂、環(huán)氧樹脂為封孔劑對等離子噴涂Al2O3-13%TiO2涂層進(jìn)行封孔,結(jié)果顯示環(huán)氧樹脂及苯酚樹脂可明顯降低涂層孔隙率(分別由13.9%降為3.7%5.3%),腐蝕電流降低75%66%,腐蝕電壓也有很大提高,極大地提高了涂層的耐腐蝕性。Hyung-Jun Kim等分別以聚胺酯、環(huán)氧化物酮化物為封孔劑對等離子噴涂Al2O3-13%TiO2進(jìn)行封孔所得涂層的機(jī)械性能進(jìn)行測定,發(fā)現(xiàn)3種封孔劑均可有效提高涂層的顯微硬度、耐磨性、結(jié)合強(qiáng)度,并降低涂層的表面粗糙度。其中,環(huán)氧化物涂層表面硬度和結(jié)合強(qiáng)度最高,聚胺酯涂層耐磨性最好而酮化物的滲透性最好。但研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),封孔后所有涂層的剪切強(qiáng)度及彈性模量均有所下降,這主要是因?yàn)榉饪讋┻M(jìn)入微裂紋和孔隙中造成涂層延展性下降和裂紋擴(kuò)展較快所造成的。

丙烯酸酯經(jīng)真空滲透后可得到性能優(yōu)良的封孔涂層通過封孔處理粒子減小剝離性,涂層表面粗糙度降低,硬度上升,耐蝕性也得到提高。T.takahashi等用苯甲基硅樹脂和丙烯酸硅樹脂混合物作為封孔劑對等離子噴涂Cr2O3/NiCr涂層進(jìn)行真空滲透后常壓熱固,得到封孔效果良好的涂層,孔隙率由10.8%降為2.61%,涂層孔隙的平均直徑也下降40%,涂層腐蝕電位和耐蝕性顯著提高。赤沼正信采用丙烯酸系樹脂、酚醛系樹脂、硅樹脂對TiO2涂層進(jìn)行封孔處理并比較了3種樹脂的性能。從耐蝕性耐磨性、加工表面的粗糙度方面考慮丙烯酸系樹脂都具有優(yōu)異的性能這是因?yàn)樗羌訜嵊不头饪讋?/span>,粘度低、浸潤性好容易殘存在涂層的氣孔和微裂紋中反應(yīng)硬化后與陶瓷涂層的結(jié)合性好,能起到陶瓷間粘結(jié)劑的作用。范衛(wèi)國等通過實(shí)驗(yàn)比較脂肪族丙烯酸聚氨酯、有機(jī)硅鋁粉漿有機(jī)封孔劑防腐蝕性能優(yōu)劣后得出結(jié)論脂肪族丙烯酸聚氨酯的耐蝕性優(yōu)于有機(jī)硅鋁粉漿脂肪族丙烯酸聚氨酯與鋅鋁偽合金涂層的匹配性最好,其次為鋁鎂合金,與噴鋅層匹配性最差。薄相峰等以2130酚醛樹脂為基料對甲苯磺酸為固化劑300目鋁粉為填料,丙酮為稀釋劑的封孔劑對火焰噴涂鋁層后發(fā)現(xiàn)孔隙率由15.4%降為0.96%,大大改善了涂層的抗腐蝕性。

而低粘度丙烯酸酯封孔劑用厭氧反應(yīng)固化,具有不用真空而具有滲透性的優(yōu)點(diǎn),暴露在空氣中保持液相,而被約束在孔隙中時(shí)就硬化并失去氧適合于密封高壓液體環(huán)境的涂層。

某些封孔劑除可滿足封孔效果外,還可提供其他性能。以瑞士BTG公司生產(chǎn)的陶瓷涂布刮刀為例,在彈簧鋼基體上噴涂Al2O3涂層并以聚四氟乙烯(PTFE)封孔后在涂層孔隙率顯著降低的同時(shí),涂層表面的摩擦系數(shù)浸潤性都大為降低,從而提高了刮刀壽命和涂布效果。

2.4.無機(jī)封孔劑

采用各種無機(jī)封孔劑對陶瓷涂層進(jìn)行封孔處理獲得了廣泛的應(yīng)用。常用無機(jī)封孔劑為堿金屬硅酸鹽和偏磷酸鋁鹽。由于堿金屬硅酸鹽耐高溫、易溶于水成膜性好、價(jià)格低,在無機(jī)封孔劑中通常使用堿金屬硅酸鹽為基料。有實(shí)驗(yàn)證明利用無機(jī)材料耐高溫的特點(diǎn)選用堿金屬硅酸鹽作基料研制出耐高溫封孔劑,對涂層封孔后涂層耐酸、、鹽性能良好,耐高溫腐蝕性能明顯改善,可使涂層使用壽命延長1滿足工業(yè)應(yīng)用需要

將偏磷酸鋁作為封孔劑于200400熱固,可得到良好的封孔性能。Minnamari Vippola等通過研究以偏磷酸鋁對等離子噴涂Al2O3封孔后的涂層組織發(fā)現(xiàn)Al(PO3)3滲透性良好,可沿涂層缺陷深入涂層0.3mm大部分封孔劑以長鏈狀Al(PO3)3及其異形體Al2P6O18存在XRD發(fā)現(xiàn)還有少量AlPO4存在,這是由于Al(PO3)3Al2O3涂層發(fā)生反應(yīng)造成,證明偏磷酸鋁封孔劑的機(jī)械性能不但與其粘附性有關(guān),而且與Al2O3涂層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。P.Vuoristo等對等離子噴涂ZrO2后以Al(OH)3H3PO4按照14.2比例混合并加入20 wt%去離子水組成的封孔劑進(jìn)行封孔后發(fā)現(xiàn)涂層孔隙率下降40%耐腐蝕性提高67%,涂層顯微硬度為950HV0.3S. Ahmaniemi等對等離子噴涂Cr2O3Al2O3涂層后以Al(PO3)3封孔熱固后涂層殘余應(yīng)力進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論Al2O3涂層拉應(yīng)力減小,并向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變;由于涂層與封孔劑發(fā)生反應(yīng)涂層硬度及耐磨性均有所增加,Cr2O3涂層對熱固溫度更加敏感,涂層應(yīng)力狀態(tài)耐磨性與熱固溫度呈線性關(guān)系溫度越高,應(yīng)力狀態(tài)向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變且耐磨性越好。

2.其他降低孔隙率的方式

除上述降低涂層孔隙率的方法外還可采用以下方式進(jìn)行封孔。

浸滲

碳化鎢涂層用低溫焊料浸滲改善強(qiáng)度和耐磨性。

該過程是在1000的真空中或800的氫氣中進(jìn)行在這些溫度下填料流入填滿未熔化的碳化物的間隙,迅速發(fā)生毛細(xì)管作用允許維持12min,已確認(rèn)大多數(shù)鉛銀和銅焊料可提供令人滿意的結(jié)果。

機(jī)械處理

某些金屬涂層可進(jìn)行機(jī)械處理,以封閉與表面連通的氣孔和提高平滑度。在某些航空部件上采用噴丸硬化,活性金屬涂層可以使用噴丸硬化和滾壓來改善抗氣蝕性能。

熱等靜壓(HIP)

熱等靜壓是在惰性氣氛下同時(shí)加壓和加熱,以達(dá)到加速涂層與基體界面的擴(kuò)散和消除內(nèi)部孔隙的目的,改善涂層延展性、強(qiáng)度和耐沖擊性。Khor等用熱等靜壓的方式對等離子噴涂Ni-5AlNi-20Al涂層進(jìn)行封孔,結(jié)果使得涂層孔隙率下降89%,且硬度有所提高。但該方式費(fèi)用昂貴。

3、結(jié)語

目前國外普遍采用將幾種比較成熟的工藝或技術(shù)復(fù)合,以產(chǎn)生某種新的封孔處理方法。采用等離子噴涂后激光二次熔覆陶瓷涂層的方法進(jìn)行搭接熔覆,可以獲得表面光滑、連續(xù)、致密無裂紋和氣孔等缺陷的陶瓷熔覆涂層。Richard Westergard等對等離子噴涂Al2O3涂層進(jìn)行電子束沉積Ni封孔后,得到如下結(jié)論Ni涂層可以有效地封孔且沉積過程能提高Al2O3涂層的結(jié)合強(qiáng)度;涂層的耐疲勞磨損性能及耐腐蝕性能大為提高;涂層由粗大脆性組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小耐磨菱形結(jié)構(gòu)涂層阻礙腐蝕裂紋擴(kuò)展能力也有較大提高。Panadda Niranatlumpong對等離子噴涂司太立合金所得涂層進(jìn)行電鍍Ni發(fā)現(xiàn)通過電鍍幾微米厚的Ni電鍍層可以有效地對涂層進(jìn)行封孔,且電鍍層可提供良好的耐腐蝕性,從而保護(hù)涂層電鍍前適當(dāng)磨削涂層以降低其粗糙度,電鍍后鍍層將提供更優(yōu)良的性能。相對于激光重熔、磷酸鹽封孔及后續(xù)燒結(jié)其造價(jià)相對較低,效費(fèi)比高。

近期我國已研制成功了聚酯型、有機(jī)聚合物型樹脂型、塑料型、膠粘劑型等幾十種型號的封孔劑,適用于酸、、鹽及有機(jī)物的腐蝕環(huán)境,其使用溫度80350℃。根據(jù)不同介質(zhì),選用適當(dāng)?shù)姆饪讋?/span>已在許多化工腐蝕介質(zhì)中應(yīng)用,效果良好。但國內(nèi)現(xiàn)有有機(jī)涂層封孔劑普遍存在高溫環(huán)境下耐熱腐蝕性及耐磨性差成本較高,對環(huán)保不利等缺點(diǎn)。在一些需要耐高溫高壓、耐腐蝕磨損惡劣條件下,陶瓷材料噴涂后封孔的問題目前還不能得到很好解決。研制性能良好的高溫封孔劑已成為擴(kuò)大陶瓷涂層應(yīng)用的瓶頸。而釉以其極佳的耐熱性、憎水性、耐磨耐腐蝕性及絕緣性使其有可能成為一種新型的封孔劑,滿足高溫腐蝕環(huán)境下對絕緣性要求較高場合下的應(yīng)用。通過改變釉料成分并對釉料進(jìn)行表面改性可適當(dāng)調(diào)整與涂層的膨脹系數(shù)匹配、化學(xué)性質(zhì)匹配、彈性和抗張強(qiáng)度的匹配并提高釉料粉體的流動(dòng)性。而運(yùn)用熱噴涂的方法,以釉料為粉體,以等離子為熱源將釉噴到涂層上,再進(jìn)行后續(xù)燒結(jié)工藝,預(yù)期可得到性能良好的封孔效果。這種施釉方法有其獨(dú)特的優(yōu)勢

(1)與傳統(tǒng)施釉方法相比,等離子噴涂施釉時(shí)釉料粒子速度很高與涂層接觸時(shí)有一個(gè)高速撞擊過程,這就使得釉可以更容易地進(jìn)入孔隙,更好地封孔。

(2)該施釉法對基體形狀要求不高,有利于對某些形狀復(fù)雜的工件進(jìn)行施釉,同時(shí)也有利于現(xiàn)場施工。

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