高速火焰喷涂多功能梯度玻璃涂层的工艺研究
周 炬，邱长军
南华大学学报( 自然科学版)
摘 要: 针对船舶部分管件的耐海洋腐蚀，又减少小剂量的γ 射线与中子照射的要求，研究了高速火焰喷涂一种新型多功能梯度玻璃涂层，其组成依次为 WC － Co －Ni /B － Cr － Fe / B － Cr － Ni / WC － Ni － B － Cr / 玻璃． 通过对工艺参数的分析研究，即可以保证此玻璃涂层的制备，又保障涂层与基材、涂层之间的结合性能，具有广阔的应用前景．
关键词: 梯度涂层; 玻璃; 高速火焰喷涂; 工艺
0 引 言
海上船舶在持续巡航中，部分管件受到海水的长年腐蚀，必须对其进行防腐耐蚀保护，目前均采用涂层处理． 在船舶上多采用非金属有机涂层，但是有机涂层易老化、寿命短，必须经常清洗和多次重新涂覆，工作量很大［1］; 同时考虑到海上船舶的工作环境，本课题尝试采用高速火焰喷涂( HVOF) 一种多功能、多梯度的玻璃涂层，以达到减少维护次数、延长使用寿命、减少小剂量照射的目的．文献［2］中提出王富耻等人对高速喷涂方法制备的 ZrO2－ NiCrAl 系梯度热障涂层在瞬态热负荷下的破坏机理进行了研究; 文献［3］中提出朱景川等人对 ZrO2－ Ni 系梯度热障涂层的热冲击与热疲劳行为进行了研究; 文献［4］中提出南华大学研究了 WCCo/Ni/B4C 系屏蔽层的屏蔽特性及辐照对界面结构的影响; 文献［5］中提出美国康涅狄格大学的 M． Gell 教授等人研究了高速喷涂陶瓷纳米结构涂层，分析和测定了涂层的组织结构和机械性能，该涂层已在美国海军舰船和潜艇上获得应用．
本课题研究的涂层结构为 WC － Co － Ni/B －Cr － Fe / B － Cr － Ni / WC － Ni － B － Cr / SiO2玻璃层． 在不改变任何设计条件下，可以提高船舶抗海洋腐蚀能力，而且利用 WC 涂层屏蔽 γ 射线; B －Cr － Fe / B － Cr － Ni 涂层屏蔽中子，最大限度地降低了辐照剂量． 本文主要介绍了高速火焰喷涂多功能梯度玻璃涂层的制备工艺，研究了高速火焰喷涂的工艺参数对涂层性能的影响．
1 试验方法
高速火焰喷涂层较为致密，与基材结合强度较高，而且便于现场施工操作． 梯度涂层是指从金属基材到玻璃面层之间的化学成分、显微组织结构及力学性能制备成沿涂层厚度方向呈梯度连续变化［6］． 本文研究的 WC － Co － Ni / B － Cr － Fe / B－ Cr － Ni / WC － Ni － B － Cr / SiO2玻璃梯度涂层．
多功能梯度涂层结构图如图 1 所示，其制备工艺路线如图 2 所示．
1． 1 粉末制备
为保证涂层与基材的结合性能，第一层涂层选用包覆型的 WC － Co － Ni 粉末，其余各层均采用通用配方材料． 高速火焰喷涂用玻璃的化学组成与一般玻璃不同． 这种玻璃要求具有较好的化学稳定性能( 耐腐蚀能力) 、热稳定性能、抗冲击性能( 耐冷热急变) 和耐磨耗性能，同时还应满足在高速火焰喷涂过程中能快速被氧—乙炔火焰熔化且流动性好，形成平滑表面的工艺要求． 玻璃粉末的制备工艺方法为将玻璃先在石英坩埚中熔化，熔化好后放在冷水中，水淬成颗粒状，然后装入球磨罐中磨成粉体，过筛选取适当的颗粒．
1． 2 工件喷砂
工件选用 φ25 的 304 不锈钢钢管． 喷砂工艺参数: 磨 料 采 用 120 目 棕 刚 玉，喷 砂 距 离 为100 mm，喷砂角度 45° ～ 60°，压缩空气压力 0． 6 ～0． 8 MPa． 喷砂处理后的试样及时进行高速火焰喷涂，以保证喷涂效果( 如图 3 所示) ．
1． 3 工件预热
涂层在喷涂前均使用超音速火焰对前一层进行预热，加热温度控制在 500℃ 左右，预热温度的控制根据工件表面的颜色变化控制，当表面颜色变为暗红色时可以开始进行喷涂． 预热过程要注意缓慢均匀加热，尽量保证基体各部分温度保持一致． 这有利于各涂层性能均匀和减小工件变形．
1． 4 高速喷涂
喷涂工序包括整个工艺过程中最重要的环节，涂层的性能在很大程度上取决于此工序． 喷涂中喷枪火焰方向要垂直于工件表面，喷涂过程中要注意控制各涂层粉末的流量，使涂层厚度一致，均匀迅速地完成喷涂过程． 这样即可避免涂层粉末的局部堆积，又可以避免火焰长时间的对涂层加热而对涂层造成破坏，而喷涂时反复的修补操作会造成涂层性能降低和厚度不均，影响下一层涂层的喷涂效果． 喷涂玻璃涂层时，对前一层涂层充分预热后，再打开喷枪送料开关，使玻璃粉体从喷枪料罐中下落并随着气流从喷枪喷嘴端部的燃烧火焰中喷出( 在飞行中玻璃粉体被加热熔融) ，高速撞击试样，在试样表面形成所需要的玻璃涂层( 如图 4 所示) ．
1． 5 冷却
当涂层达到设计的厚度时，停止喷涂玻璃粉末，使涂层冷却． 为防止玻璃涂层在制备完毕后可能会由于冷却速度过快而造成涂层炸裂和脱落，而采用自然空冷． 即火焰喷枪不立即熄灭，而是缓慢远离涂层，使涂层冷却速度减小; 在喷涂完毕后将部分试样在放入烘箱保温 30 min 后自然冷却至室温．
2 结果与分析
玻璃涂层制备完毕，利用光学显微镜观察并总结各个工艺参数对涂层结合性能和耐蚀性的影响规律，工艺参数为粉末成分、基材表面粗糙度、气 流 量 大 小、预 热 温 度、涂 层 厚 度、冷 却方式［7］．
玻璃粉末的主要成分是 SiO2，如果含量提高，可以提高涂层的耐磨性和耐腐蚀性; 但含量过高，则不易在火焰中熔化． 其余成分为 ZnO2、CoO、NiO、Cr2O3等，成分中 ZnO2能起到助熔剂的作用，又能提高玻璃化学稳定性和光泽，同时与 SiO2使用还能提高玻璃的流动性，使涂层容易形成平滑的表面，减少涂层表面的针孔［8-9］，如图 5 所示; ZnO2、CoO、NiO、Cr2O3等，可以提高涂层的结合强度。
由上图可知，ZnO2填补了 SiO2玻璃涂层中的针孔缝隙，使涂层形成光滑平整的表面，同时提高了整个玻璃涂层的结合强度．
基材表面粗糙度决定了涂层与基材的结合强度，通过喷砂处理后的基材表面具有相当的粗糙度，以各个方向无光反射亮斑、亮线且无锈斑为合格． 原因是粗糙度较大时，涂层与基材热喷涂反应面积大，容易形成相互嵌合的机械结合，提高了结合强度．
气流大小是高速喷涂的关键参数． 为使涂层的结合强度最高，涂层粉末粒子应该以最高速度冲击基体，并且涂层粉末处于半熔化状态． 试验结果表明: 采用大气流火焰和较高预热温度的涂层结合性普遍较好，原因是气流大、温度高，涂层与基材、涂层之间热喷涂反应剧烈，形成紧密结合的附着层．
预热温度和涂层厚度是制备优越玻璃涂层的关键参数． 这时因为材料的热膨胀系数对涂层与基材的结合强度有较大的影响． 在高速火焰喷涂梯度涂层工艺中，后一种涂层的热膨胀系数必须适应前一种涂层的热膨胀系数，而且温度相近． 若相差太大，由于膨胀、收缩不同，会在涂层之间产生较大的拉应力，就很难产生良好的机械结合． 当整个涂层厚度大于 2 mm 时，结合强度就有所下降［10］，同时玻璃涂层不宜过厚，因为厚度较小的涂层结合性较好，玻璃层厚度增大脆性增大，容易发生开裂． 综合以上原因，因此整个涂层厚度1 mm左右，玻璃涂层厚度为 0． 1 mm 左右． 玻璃在这种厚度条件下，则其强度大为增加且具有柔软性，赋予形状以后可以成为优良之结构用材．
通过缓冷方式冷却的涂层结合性较好，因为冷却速度下降，使涂层之间的热应力逐渐释放，降低了裂纹产生的可能性，涂层中的裂纹减少，提高了结合性能． 同时玻璃涂层在 200 ～ 300℃ 之间时，平均线膨胀系数为 9． 5 × 10－ 7/ ℃ ，略小于金属基材，这对金属基材产生了一定压应力，有利于两者结合强度的提高． 图 6 为玻璃涂层分层形貌．整个涂层为层状结构，涂层表面光滑、平整，无明显缺陷． 图 7 为玻璃涂层的表面形貌． 表面层主要为半透明玻璃态，其耐蚀性很好．
3 结 论
综合实验结果证明:
1 ) 利 用 WCCoNi / BCrFe / WCCoBCrNi / Glass多功能梯度涂层体系，涂层具有耐海洋环境腐蚀效果及对 γ、中子射线屏蔽性能。2) 通过对涂层制备工艺的综合保障措施，可以保证涂层与基材、涂层之间的结合强度，使之运行稳定．
参考文献略
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