文 献 综 述

电弧喷涂渗铝封孔技术及耐蚀性能研究

1、课题研究的意义及背景

铝耐腐蚀性强,在常用的金属材料中可回收性最好,其再生后的材料品质可与原生铝相媲美[1]。由于扩散型铝化物涂层既可以满足一般的性能要求,又具有成本低、性能稳定的特点,目前世界上80%以上的高温涂层为扩散型铝化物涂层。此外,铝合金具有合金强度/质量比高、导电导热能力强、力学性能优异、可加工性好等优点,因而在交通运输、航空航海等领域得到了广泛的应用。铝与氧的亲和力很大,能与空气中的氧反应,在表面很快生成一层薄而致密、具有自愈合能力的Al2O3氧化膜。随着时间的延长或大气湿度的增加,这层氧化膜厚度增大。因此,铝在大气中具有良好的耐蚀性[2]。

在石油、化工、冶金等行业有很多设施或设备都工作在高温环境下,高温氧化严重。对抗高温腐蚀要求高的金属构件,通过在低级材料表面施加防护涂层可以达到高级材料的功效[3-4],从而大大降低成本。电弧喷涂技术由于涂层质量好、生产效率高、操作简单、经济节能等优点而得到快速发展[5-7]。在介质腐蚀性不是很强、工作温度不是很高的情况下,电弧喷涂或火焰喷涂的铝涂层有广泛的应用[8]。但是,目前人们对于电弧喷涂铝涂层的氧化过程和氧化机理还缺乏系统的研究。

2、课题研究在国内外研究进展和存在的问题

热喷涂技术是一种常用的表面工程技术,随着生产实际对工件性能要求的不断提高,热喷涂技术得到了飞速发展和广泛应用。热喷涂是将熔融或半熔融状态微粒以高速冲击到基体表面,形成具有一定特性涂层的表面处理方法[9]。这种涂层是由相互叠加的微粒构成,叠加的微粒之间必然存在孔隙,尤其是贯穿性孔隙的存在。在腐蚀环境中,孔隙会引入腐蚀元素,腐蚀介质就可能通过穿孔到达被保护基体的表面,使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀,腐蚀产物在界面积累,使热喷涂层龟裂、剥落,导致涂层失效,并且孔隙的存在将会影响涂层的结合强度。目前国内外采用的封孔剂[10]主要分为有机和无机两大类(见表1)。

表1 常用封孔材料

有机类封孔剂封闭性较好、韧性好、强度高,如SugehisLiscano[11]等分别以苯酚树脂、环氧树脂为封孔剂对热喷涂涂层进行封孔,结果表明,环氧树脂及苯酚树脂明显降低涂层孔隙率(分别由13.19%降为3.17%和5.13%)。但是,有机类封孔剂对环境污染比较严重且不耐高温。无机类封孔剂渗透性好、对环境无污染,如MinnamariVippola等[12]通过研究以偏磷酸铝对等离子喷涂Al2O3封孔后的涂层组织发现:Al(PO3)3渗透性良好,可沿涂层缺陷深入涂层0.3mm,大部分封孔剂以长链状Al(PO3)3及其异形体存在,但是韧性差,风干后有裂纹,高温时还容易起泡。采用合理的工艺方法降低涂层的孔隙率成为扩大热喷涂技术在防腐蚀领域应用的一大重要研究方向。于惠博等[13]提出了采用热扩散重熔、采用自封闭涂层、改进及改善喷涂工艺、封孔剂封孔等方法以降低涂层的孔隙率。相对于其他方法,封孔剂封孔有应用范围广,操作方便,成本低等优点。[14]

3、铝合金及铝化物涂层的分类与特点

3.1改性的铝合金及铝化物涂层

改性的铝化物涂层是在简单铝化物涂层(又称”渗铝涂层”)的基础上添加一些合金元素来提高涂层的抗热腐蚀性能。

(1)稀土元素改性的铝合金及铝化物涂层研究发现,在铝化物涂层中加人忆、钵、斓等稀土元素可提高涂层的抗氧化性能、抗腐蚀性能以及耐磨损性能[15];用电弧喷涂的方法制作铝化物涂层后,涂层孔隙变得细小,同时涂层空隙率也大大降低侧[16]。

(2)其他元素改性的铝合金及铝化物涂层常用于涂层改性的元素主要有:铬、硅、铂、锑、硼等。在涂层中引人以上元素均可明显改善涂层的抗氧化性能和耐腐蚀性能,其中铬一铝涂层稳定性良好,同时室温塑性也较高[17]。硅一铝涂层的高温强度高,但随着硅含量的增加,铝化物韧性降低,涂层脆化。因此硅一铝涂层更适用于低应力高温的场合。铂一铝涂层抗高温氧化和耐热腐蚀性能优良,但铂价格昂贵,近年来有人尝试用锑替代铂制备锑一铝涂层,也取得了良好的效果。引人硼元素之后,涂层延展性改善,空隙率降低,硬度提高,耐磨性能提高。

3.2陶瓷复合型铝合金及铝化物涂层

(l)陶瓷增强颖粒铝化物涂层加人增强颗粒制成铝化物复合涂层是提高涂层性能的一个有效方法。由于颗粒强化的铝基复合材料密度小,性能优良,因此在机械零件制造等领域具有巨大的应用潜力。美国焊接学会建议在同时需要满足防腐和耐磨要求时,可以采用电弧喷涂铝基复合陶瓷涂层。与纯铝相比,复合涂层中添加的强化粒子显著提高了涂层的耐磨性,而且不降低涂层的抗腐蚀性能及其与基体的结合强度。近年来应用不同的方法制备了SIC、A12O3、TiB2、TIC和WC陶瓷增强颗粒Fe-AI基复合涂层。对高速电弧喷涂Fe-AI/WC复合涂层的高温冲蚀性能研究表明,复合涂层在65。℃时冲蚀磨损抗力大大高于209和1029钢基体,高于Fe-AI涂层及等离子喷涂Cr3C2一NiCr涂层。

(2)铝化物一陶瓷梯度涂层可以在更高的温度和较陡的温度梯度下工作,具有很好的隔热性能和抗剥落能力。Fe3Al金属间化合物是金属基体(钢材)与Al2O3涂层之间过渡层的较为理想的材料,章景德[18]等采用离子喷涂方法制备了Fe3Al-Al2O3陶瓷复合涂层,涂层成分的梯度化有利于涂层结合强度和抗热震性能的提高。徐雪霞[19]等用等离子喷涂的方法研制的NiAl-Al2O3梯度陶瓷涂层的抗氧化性能优于相同结构的NiAl-ZrO2涂层。

3.3铝合金及铝化物微晶涂层

高温微晶合金涂层是采用与基体成分相同的微晶合金制成的涂层,从而实现自防护。微晶溅射CoCrAl涂层研究发现,晶粒的超细化可大大提高表面氧化膜的粘附性和合金的抗循环氧化性能。微晶溅射层氧化后形成一层连续致密薄膜,且无内氧化,其抗氧化性能比热扩散渗铝层好,微晶化涂层表面氧化膜具有很强的自愈能力[20]

楼翰一[21]等溅射LDZ125微晶涂层氧化行为的研究表明,LDZ125合金微晶涂层由单一的下相组成,其晶粒尺寸约小于100nm,其抗氧化性能比铸态合金优越得多,甚至优于渗铝涂层,其氧化产物为单一的阿尔法Al,且未见剥落,具有很好的粘附性。

4、沸纯水封孔技术

沸纯水封孔是在蒸馏水或去离子水中,pH为5～ 7,温度gt; 98#176;(下限温度95℃)进行。操作相当简单,关键在于水质和pH控制的要求十分严格。我国基本上不同沸纯水的原因,在一定程度是与我国大部分地区水质不好有关系。表2是水中杂质离子对封孔质量的影响。离子交换法可以有效去除杂质离子,但不能完全除掉SiO2(这在地下水中是常见杂质)。因此要考虑采用别的方法制备纯水。pH的最佳范围是5.5～ 6.5,当pHlt; 4时根本不发生水合反应,pHgt; 6.5虽然可以减轻SiO2的有害影响,但起灰严重。在有机染色时,pHlt; 5会褪色,实验证明醋酸铵是pH调节的最佳缓冲剂。一般加入1 g/L就足以达到pH调节并延长槽液使用时间。日本对于铝型材封孔技术,除了电泳涂层,只认可沸水封孔的阳极氧化膜。而我国基本上采用冷封孔技术。

表2 沸水封孔中各种杂质离子对于封孔质量的影响[22-23]

参考文献

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文 献 综 述

电弧喷涂渗铝封孔技术及耐蚀性能研究

1、课题研究的意义及背景

铝耐腐蚀性强,在常用的金属材料中可回收性最好,其再生后的材料品质可与原生铝相媲美[1]。由于扩散型铝化物涂层既可以满足一般的性能要求,又具有成本低、性能稳定的特点,目前世界上80%以上的高温涂层为扩散型铝化物涂层。此外,铝合金具有合金强度/质量比高、导电导热能力强、力学性能优异、可加工性好等优点,因而在交通运输、航空航海等领域得到了广泛的应用。铝与氧的亲和力很大,能与空气中的氧反应,在表面很快生成一层薄而致密、具有自愈合能力的Al2O3氧化膜。随着时间的延长或大气湿度的增加,这层氧化膜厚度增大。因此,铝在大气中具有良好的耐蚀性[2]。

在石油、化工、冶金等行业有很多设施或设备都工作在高温环境下,高温氧化严重。对抗高温腐蚀要求高的金属构件,通过在低级材料表面施加防护涂层可以达到高级材料的功效[3-4],从而大大降低成本。电弧喷涂技术由于涂层质量好、生产效率高、操作简单、经济节能等优点而得到快速发展[5-7]。在介质腐蚀性不是很强、工作温度不是很高的情况下,电弧喷涂或火焰喷涂的铝涂层有广泛的应用[8]。但是,目前人们对于电弧喷涂铝涂层的氧化过程和氧化机理还缺乏系统的研究。

2、课题研究在国内外研究进展和存在的问题

热喷涂技术是一种常用的表面工程技术,随着生产实际对工件性能要求的不断提高,热喷涂技术得到了飞速发展和广泛应用。热喷涂是将熔融或半熔融状态微粒以高速冲击到基体表面,形成具有一定特性涂层的表面处理方法[9]。这种涂层是由相互叠加的微粒构成,叠加的微粒之间必然存在孔隙,尤其是贯穿性孔隙的存在。在腐蚀环境中,孔隙会引入腐蚀元素,腐蚀介质就可能通过穿孔到达被保护基体的表面,使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀,腐蚀产物在界面积累,使热喷涂层龟裂、剥落,导致涂层失效,并且孔隙的存在将会影响涂层的结合强度。目前国内外采用的封孔剂[10]主要分为有机和无机两大类(见表1)。

表1 常用封孔材料