摘 要:简述了解决热喷涂涂层多孔率问题的几种途径:工艺改进、重熔处理、新热喷涂材料的开发和封孔处理。
关键词:热喷涂;孔隙率;重熔处理;封孔处理
20世纪30年代,热喷涂技术在防腐方面得到成功的应用。从那时起,美国、欧洲等西方发达国家开始逐步地对钢铁结构件采用热喷涂技术进行防腐处理并不断扩大其应用范围。经过半个世纪的实验研究和应用证明,热喷涂防腐技术是迄今为止钢铁结构件长效防腐的最好方法,在电视铁塔、桥梁、水闸门、航标浮鼓、公路设施等大型工程的防腐中得到推广应用。
热喷涂涂层的形成过程决定了它是由微小颗粒相互交错堆叠而成的层状组织结构,因此它的一个突出缺点是涂层的多孔性,有些孔隙甚至从涂层表面一直延续到被保护基体的表面。这些孔隙的存在,对防腐是有害的。腐蚀介质穿透气孔到达被保护的基体表面,腐蚀产物在界面积累,会使热喷涂层龟裂、脱落。因此,降低涂层的孔隙率是提高涂层耐蚀性能的主要方法。采用合理的工艺手段,消除热喷涂涂层表面或内在的孔隙,成为扩大热喷涂工艺在防腐蚀领域应用的一大重要研究方向。目前解决热喷涂层多孔性问题的途径主要分为:热喷涂工艺的改进、重熔处理、新的热喷涂材料的开发和封孔处理。
1 热喷涂工艺的改进
目前用于腐蚀与防护领域的热喷涂技术主要为火焰喷涂和电弧喷涂,涂层的孔隙率为5%～15%,在喷涂致密防蚀涂层时受到限制。近年来等离子技术从提高粒子的喷射速度、改善受热与熔化状态、减少环境气氛对高温喷射粒子的污染与氧化着手,来提高等离子涂层的质量和降低孔隙率[1]。为此,发展了高能等离子喷涂、真空等离子喷涂、超音速等离子喷涂、保护气氛等离子喷涂。高能等离子喷涂通过提高功率来提高离子的飞行速度,从而提高涂层的密度,降低了氧化物夹渣含量和孔隙率,孔隙率可降低到2%～5%[2]。但等离子设备昂贵,使其应用受到限制。1981年美国的I.A.Browing发明了高速氧燃料喷涂技术(HVOF),通过提高粒子速度,使之达到超音速,从而具有较高的动能,轰击基材时冲击动能变为热能,同时使颗粒产生充分的形变,得到致密的涂层,沉积粒子间孔隙率小(<2%)[3]。但高速火焰喷涂技术耗气量非常大,供气系统庞大,因此其应用也受到限制。高速锻喷涂(HVIF)为对高速氧燃料喷涂(HVOF)、高速空气燃烧喷涂(HVAF)等高速热喷涂工艺中所用的灼热气体喷水,从而将火焰温度降至更加切实可行的水平,使粉粒实际上是互相锻压在一起的,大大改善了涂层性能,强度高,且致密性好,孔隙率小于1%[4]。美国Amoco oil company还研制出一种屏蔽装置,能在HVOF高射流的周围产生一个高压螺旋状流动的惰性气氛,保护喷射粒子不被氧化,并使用氢气做燃料气,用这种改进的HVOF技术喷涂的哈氏合金和316L不锈钢涂层,无气孔,组织均匀,其耐蚀性与这些材料锻件的耐蚀性相当,甚至更好[1]。爆炸喷涂为利用爆炸波产生高压使颗粒速度大至7 620 m/s,并产生冲击波,使涂层更加致密,气孔率更低,但用爆炸法之粉料以直线束方式射向基体表面,对形状复杂和细小件内壁难以处理,并需专门的隔音设备以对付140 dB的爆炸声[5]。Leigh S H研究结果表明;喷涂角度偏离垂直方向时,涂层的孔隙率偏大[6]。
总之,近年来发展的新热喷涂工艺,均是通过采用相关措施来提高涂层粒子的熔化率,减少涂层中的孔隙率,提高涂层的质量[7,8]。现将几种主要热喷涂方法列表比较如表1。
2 重熔处理
重熔处理是将合金中最易熔化的成分熔化,液相有助于扩散过程更强化的渗透,熔化的结果使热喷涂层与基体的结合区由原来堆叠的层状组织特征变为较致密和较均匀,孔隙减少甚至消失了。目前,重熔处理技术主要有激光、电子束、太阳能、氧-乙炔火焰、整体加热和感应重熔。然而激光设备造价很高;氧-乙炔火焰是较常用的重熔方法,但它需要将整个工件预热到很高温度,因此工件的热影响区和变形都较大,而且对于大且厚的工件基本无法实现重熔处理;感应重熔也是应用较多的重熔方法,具有对基体热影响区小,工件变形小等优点,但它强烈受感应圈形状和尺寸限制,它只适于尺寸小的圆形工件重熔,所以它只在一定的范围内得到应用。张福成[9]等采用碳弧对喷涂在A3钢表面的Ni60和Fe60自融合金涂层进行重熔处理,由于碳弧的热效率较高,在熔敷过程中,涂层很快被熔化,而基体处于较低的温度,熔池的温度梯度较大,因此熔池内同时结晶的核心很多,从而形成非常细小的等轴状晶组织,而且由于碳弧的温度较高,产生强烈的气流,使基体表面熔化层较深,熔化了的涂层和基体表面产生一定的混合,从而使熔敷层和基体的结合面有一很宽的过渡层,而不象激光、氧-乙炔火焰等熔敷工艺处理的熔敷层的结合面仅为一条线。因此熔敷层均匀致密,孔隙率更小,且对基体的热影响小,可对大面积进行重熔处理。
3 新热喷涂材料的开发
贺定勇[11]研究了在粉芯线材中加入稀土,结果发现由于稀土是表面活性的,它可降低熔滴的表面张力,提高了熔化粒子的可流动性以及粒子与基材及粒子间的相互润湿,降低了涂层的热膨胀系数,减少了涂层内应力,从而降低了孔隙率,提高致密度。而且稀土与粒子间的氧化物形成了稳定的、致密的稀土氧化物,把热喷涂层金属与腐蚀介质隔离开来,也提高了喷涂层的耐蚀能力。北京工业大学研制成功并批量生产了含稀土元素的耐磨耐蚀热喷涂金属粉芯线材。比较典型的有7Cr13型、3Cr13型、低碳马氏体型,其孔隙率<7%。我国稀土资源丰富,因此加入稀土的新热喷涂材料有着广泛的应用价值。
4 封孔处理
所谓封孔是采用刷子或者喷涂机器使封孔剂浸透孔隙,填充到孔隙中,这样在强化内部的同时,表面也变得光滑,多余的封孔剂就变成了涂层。因此封孔剂必须在所处的环境下具有良好的耐蚀性能,较低的黏度和良好的渗透性能,以及与金属喷涂层的配套性和化学上的相容性。根据以上要求,一般选用有机涂层作为封闭材料。封闭处理与涂油漆有本质的区别,尽管在热喷涂层上涂刷油漆能有效的遮蔽孔隙,但其漆膜在孔隙部位有架空的,一旦破裂,封闭作用尽失。
对于金属热喷涂层封闭涂料的选择,国内还没有统一标准。但关于涂料对热喷涂层的封闭性能已作了大量的研究。扣伟[11]在热喷涂锌封孔涂料的选用中,比较了无机富锌涂料、环氧煤沥青面涂料、氯化橡胶涂料、聚氨酯漆、醇酸漆、氯磺化聚乙烯漆的应用部位和优缺点。他指出;无机富锌涂料可作为各种热喷涂层的预涂底漆,水下部位一般选择环氧煤沥青面漆为宜,水上部位以醇酸聚氨酯漆和氯磺化聚乙烯涂料为宜,在干湿交替部位则以聚氨酯和氯化橡胶为好。宋玉苏用电化学交流阻抗方法研究了热喷涂铝封闭涂层的保护性能,实验结果表明:不论用那种热喷涂方法,16#氯化橡胶底漆的封闭保护性能优于磷化底漆的封闭处理。同时还研究了封闭涂层与金属喷涂层的配套性,在研究中发现磷化处理及氯化橡胶防腐蚀封闭处理漆对火焰喷涂铝的试样更有利,电弧喷涂用这两种涂层封闭处理效果均不理想[12]。上海广播电视塔外露钢在经过大量的实验研究中,比较了环氧云铁防锈漆和环氧玻璃鳞片对热喷涂金属的封闭效果,由于环氧玻璃鳞片作为封孔剂,易起泡、裂纹、起壳以致防腐失效,因此最终选择了热喷涂铝加842环氧云铁防锈漆的配套方案[13]。
在封孔处理中,应该考虑到封闭涂料与一般的防腐涂料不同,封闭涂料中溶剂的配比有一个适度的范围,如果溶剂量过大,虽易于渗透却使渗入到热喷涂层孔隙中的固体成分相对减少。待溶剂挥发后,却因喷涂层孔隙中存留的固体成分偏少而达不到封闭、堵塞喷涂层孔隙的封孔作用。反之,如果溶剂量过小,会因树脂得不到充分溶解,使其失去渗透力,使封闭剂成分不能填入孔隙中。而且由于喷涂铝层在与涂料层的适配上有一定的困难,除了要考虑有机涂层的附着力、稳定性和对水、氧、离子的渗透阻力外,还要加入缓蚀剂来抑制铝的活化腐蚀。武汉材料保护研究所经过30年的研究开发,成功地研制生产了综合性能优异的第四代热封闭涂料GA28系列封闭涂料体系。GA28涂料体系对锌和喷铝层具有良好的封闭钝化性能,可极大地提高复合涂层的防蚀寿命,对各种环境的适应性优良。
5 存在的问题
近年发展的热喷涂工艺均减少了孔隙率,得到较均匀、致密的涂层,但高能、高焓、高速热喷涂设备价格昂贵,有些还受被喷涂工件尺寸和施工场所的限制,因此研制更适用的喷涂设备,降低热喷涂技术的成本具有重要的实际意义。目前在对不同的腐蚀环境、不同的热喷涂层的封孔涂料的选择,国内还没有统一的规定。因此今后还需要进一步的研究封孔涂料与热喷涂层、腐蚀环境的配套性。
参考文献略
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