摘 要:针对等离子喷涂陶瓷涂层中存在孔隙而使其耐蚀性能下降的问题，本文采用溶胶-凝胶法制备了氧化硅溶胶和氧化铝溶胶，并用这两种溶胶对等离子喷涂陶瓷涂层进行封孔处理。通过扫描电子显微镜( SEM) 、X 射线衍射( XRD) 、孔隙率测试及耐腐蚀实验对封孔处理后的涂层进行了测试分析。结果表明，氧化硅和氧化铝溶胶均对陶瓷涂层起到了一定的防护性能，从而提高了其耐蚀性能。
关键词:等离子喷涂; 溶胶-凝胶; 氧化硅; 氧化铝
等离子喷涂陶瓷涂层具有优异的耐磨性、耐蚀性、化学稳定性等，因此被广泛应用［1 －4］。然而等离子喷涂涂层并非十分致密，存在许多孔隙。腐蚀介质可通过孔隙对基体造成直接腐蚀，引起涂层的剥落［5 －7］。采用封孔技术，消除涂层表面或内部的空隙，是提高等离子喷涂陶瓷涂层耐蚀性的有效方法。在各种封孔方法中，溶胶-凝胶法封孔处理可增加涂层致密度，提高结合强度［8］。一些研究已表明使用氧化硅溶胶作为封孔剂可显著提高等离子喷涂陶瓷涂层的耐蚀性能［8 －10］。本文以等离子喷 Al2O3-13%TiO2( AT13) 涂层为对象，采用氧化硅溶胶和氧化铝溶胶对其进行封孔处理，并测试封孔层的耐蚀性能。
1 试验方法
1． 1 涂层制备
试验采用 3710 型等离子喷涂设备在 Q235 钢基体上制备 AT13 涂层，涂层厚度为 350 ～400 μm。将涂层后的试样切割成 10 mm ×10 mm ×5 mm 的试样进行封孔处理。
1． 2 封孔处理
分别以正硅酸乙酯和异丙醇铝为前驱体制备氧化硅溶胶和氧化铝溶胶，具体方法可参考文献［11-12］。采用浸涂法进行封孔处理，即将试样分别浸渍在制备好的氧化硅和氧化铝溶胶中，浸渍时间 30 s。
浸渍后的试样在空气中放置 24 h，然后放入干燥箱中在 80 ℃保温 5 h。重复浸渍三次。最后将试样放入电阻炉中升温至 300 ℃保温 1 h，即得封孔涂层。
1． 3 表征方法
采用铁试剂法( 蓝点法) 测定封孔层的孔隙率［13］; 采用 S-4800 型冷场发射高分辨率扫描电镜观察试样的微观形貌; 采用 smartlad 型 X 射线衍射仪对封孔层的组织成分进行分析; 采用 PS-268A 型电化学测量仪测定 AT13 陶瓷涂层及其经过封孔处理后试样的阳极极化曲线。
2 结果与分析
2． 1 表面形貌观察
图 1 为 AT13 涂层封孔前后的 SEM 照片。从图中可看到，AT13 涂层为典型的层状结构，层间存在大量微孔和不完全连结( 如图 1( a) ) ，这与其他文献中的结果一致［5 －7］。图 1( b) 和 1( c) 为氧化硅和氧化铝溶胶封孔处理后典型的涂层表面形貌，可观察到涂层层状结构消失，孔洞和未连结处数量显著减少，表面变得光滑，涂层致密性增加。这表明封孔剂渗透到涂层孔隙中起到填充作用，从而降低了涂层孔隙率及表面粗糙度。从表面形貌对比还可发现，氧化硅和氧化铝溶胶的封孔效果基本相同。
2． 2 孔隙率分析
为进一步验证封孔效果，采用蓝点法测试涂层孔隙率。孔隙率通过试纸表面的蓝点数量进行评价，结果如图 2 所示。从图中可明显地观察到，封孔前试纸上的蓝色斑点很多，且斑点较大，如图 2( a) ;经氧化硅和氧化铝溶胶封孔后，试纸上除了两个大斑点外，基本没有其他斑点，如图 2( a) 和 2( c) 。这说明封孔后涂层孔隙率大大降低，而封孔后少量斑点的存在可能是由涂层中一些大的缺陷而引起。由此可见，氧化硅和氧化铝溶胶可以有效降低涂层孔隙率，达到封孔的效果。而且从图中结果也可知，氧化硅和氧化铝封孔层的孔隙率基本相同，二者封孔效果基本一致，这与 SEM 结果相同。
2． 3 XRD 分析
为分析封孔层结构，对 AT13 涂层封孔处理前后进行了 XRD 分析，结果如图 3 所示。在 XRD 图谱中主要为 AT13 涂层的衍射峰，这是由于封孔层相对而言较薄，因此被更强的基体峰所掩盖，但仍有少量的属于封孔层的衍射峰出现。对于氧化硅封孔层，在 2θ 为 24°附近出现一个较宽的弥散峰，该峰应为非晶氧化硅的典型衍射峰，这表明氧化硅封孔层为Si-O 短程有序结构［11］。对于氧化铝封孔层，18°、27°和 50°附近的衍射峰分别对应于勃姆石 γ-AlOOH 的( 020) 、( 120) 和( 200) 晶面的衍射峰。这表明氧化铝封孔层为γ-AlOOH 结构［12］。从以上结果分析可知，经过 300 ℃ 热处理后，氧化硅封孔层为非晶态，而氧化铝封孔层为 γ-AlOOH 晶态。
2． 4 腐蚀性能分析
图 4 是 AT13 涂层封孔前后的腐蚀极化曲线。由图中可以看出，AT13 陶瓷涂层基体的自腐蚀电位( Ecorr) 为 － 860 mV，氧化硅和氧化铝封孔涂层的Ecorr 分别为 － 750 mV 和 － 760 mV，比未封孔涂层的电位分别提高了 110 mV 和 100 mV。
当电位在 － 700 ～ － 300 mV 之间时，经过封孔处理的试样在 3． 5%NaCl 溶液中随电位的增加阳极溶解电流密度缓慢增大，说明封孔处理对陶瓷涂层可起到保护作用，增加了其耐腐蚀性能。氧化硅和氧化铝封孔层的自腐蚀电位相差不多，但氧化硅封孔层的自腐蚀电位略高于氧化铝封孔层的自腐蚀电位，说明氧化硅封孔层比氧化铝封孔层的耐腐蚀能力略强一些。
3 结论
通过溶胶-凝胶法制备了氧化硅和氧化铝溶胶，用其对等离子喷涂 AT13 陶瓷涂层进行封孔处理。结果表明，经封孔处理后的 AT13 涂层表面光滑，基本无明显孔洞; 经 300 ℃处理后，氧化硅封孔层为非晶态，而氧化铝封孔层为 γ-AlOOH 晶体。封孔处理后 AT13 涂层的耐蚀性能增强，且两种封孔层的耐蚀性能基本相当。
参考文献略
|
