纳米涂层喷涂操作说明

纳米涂层喷涂操作说明（精选4篇）

纳米涂层喷涂操作说明 篇1

8、U-Spray系列喷涂产品使用说明

1.设备及材料要求：

使用说明

以下为诺曼克U-Spray喷涂体系所需的设备及材料。（见图1，图2和图3） 筒式喷枪

 双筒式包装喷涂材料  流量限制器  混合器/喷嘴  诺曼克底漆

采用正确的表面预处理程序非常重要。为确保获得最好的涂装质量和涂层表面效果，请严格按照程序的每一步进行操作。同时需考虑到安全健康规范方面具体要求。

图一： U-Spray胶枪

图二：双筒式包装喷涂材料

图三：诺曼克底漆

2.表面预处理：

诺曼克喷涂材料应该在经过恰当预处理的，清洁，脱脂且干燥的基材表面上进行涂装作业。尖角以及拐角应先加工处理成半径不小于3mm的圆角。

金属/塑料：采用喷钢砂方式对基材表面进行金属白色化处理，使基材表面形成深度在50μm以上的锚纹，这样有利于达到最好的粘接效果。详细信息请参照诺曼克表面预处理手册。以下规格的喷砂均可以达到预期效果：  SSPC-SP5  Nace No.1  SSPC-SP10  Nace No.2

喷砂的媒介应该为形状不规则且具有棱角的材料如如渣绒，钢砂等。这种喷砂媒介应该能够在基材表面处理出70到100μm厚的锚纹。

对于非关键部件，可以使用数控机床清洗方式对基材表面进行预处理，如研磨和砂磨等均可以接受。

对于暴露在潮湿环境或表面沾有油、盐及其他化学物质的基材表面应该按照以下预处理步骤以达到最好的粘接效果：  喷砂处理（初步净化） 蒸气清洁（中和氯化氢） 火焰处理（干燥处理） 喷砂（表面粗燥化） 真空清洗（去除灰尘） 脱脂（实现最终净化）

铸钢件，不锈钢铸件，铸铁件及灰口铸铁件等基材：这些基材具有多孔性，表面很容易吸附油脂以及其他一些脏污。通过对这类基材的加热使油脂和脏污转移到基材表面，然后再用溶剂清洗去除掉这些油脂和脏污。此步骤处理完后请立即按照上面的步骤进行喷砂处理。如果金属表面出现一些暗淡的区域，这就说明在这些区域仍然存在油脂或脏污。此时需要再对基材进行加热然后清洗，喷砂，直到被预处理的基材表面呈现出一致的颜色。

合成橡胶/聚氨酯类基材：这类基材表面需要先进行粗化，建议使用低速（转速低于2000RPM）砂磨机，砂磨材料可以使用粒子精度为16,36,26,或50的氧化铝砂纸。砂磨机的转速过快可能会导致基材表面过热进而影响到粘接效果。同样可以使用其他一些方法对此类基材表面进行粗化处理，如将硬毛刷安装到电钻、砂磨盘以及上对其它一些在橡胶轮胎行业用于修理轮胎的钻床配件上对基材表面进行打磨。

现行混凝土材质：先去除基材表面涂料等残余，然后用油质黏结剂去除残渣、油脂等，接着用水或者清洁剂的蒸汽清洗基材表面；之后采用机械方式粗化表面；最后用水冲洗基质表面来去除清洁剂残余。让混凝土结构表面有足够时间干燥，进行喷涂作业前水分残余需低于3%。

新型混凝土材质：至少允许涂层有28天的时间进行固化。需要对表面进行湿度测量以确保基材表面的残余水分低于3%。去除表面松弛的颗粒和混凝土泥浆。然后用机械方式粗化基材表面并进行除尘操作。在此种混凝土结构及才上U-Spray涂层的厚度应不低于1.5mm.3.清洗/脱脂

必要时可以使用诺曼克NR-MC或NR-TR溶剂型脱脂剂对基材表面进行脱脂和清洁操作。也可以使用其它非油性脱脂剂如二氯乙烯，三氯乙烯，丁酮以及丙酮。喷涂前需确保基材表面完全干化。

最好的清洁方式是采用真空清扫或粉刷对基材表面进行预处理。禁止使用非真空的方式进行清扫因为这样只会使表面的粉尘和脏污变的更多。

4.底漆

硬质表面：对于在金属、不锈钢、铝制品、GRP（玻璃钢）、聚酯薄膜、环氧树脂、混凝土以及木制等基材上的喷涂可以使用NR-9500做底漆。喷涂前请将底漆充分摇晃均匀。严格按照材料制造商说明进行NR-9500的配比（详见NR-9500数据表）。NR-9500可以采用喷涂法、刷漆法、浸漆法等涂装方式在预处理过的基材表面涂装25-50μm厚的涂层。刷除所有的流平，滴溜以及残留物质。典型喷涂面积为60-70克/m²。

在进行U-Spray喷涂前，允许底漆在21℃的温度条件下有1-12个小时的固化时间。

底漆的喷涂需要采用低气压喷枪（重力型喷枪，吸嘴口径大约为3mm，气压大约为138MPa）.喷涂需要选择一种风度大小恰好合适的风扇。否则涂层表面会形成粉状层，此粉状层一般比较难去除，因为其只能在底漆涂层干燥后进行下道涂装操作前才能用丁酮溶剂来擦除。

禁止在NR-9500涂层上再次喷涂NR-9500。如果涂层放置时间超过21℃温度条件下要求的12个小时，请使用丁酮溶剂来恢复涂层的活性。清洗后请立即进行U-Spray喷涂操作。也可以在喷涂前重新进行喷砂，清洗，再次喷涂底漆这个程序来解决放置时间过长的问题。

软质表面：对于弹性材料，在进行U-Spray进行涂装前需要进行特殊专业化的考量。进行此类材料涂装前请联系诺曼克公司以便获得技术支持。

具有极性的塑胶材料：PE、PP、POM和相关塑胶材料在喷涂底漆前需要先进行热冲击处理。建议进行此类基材涂装前请联系诺曼克公司以便获得技术支持。

5.筒式喷枪

安全提示：诺曼克U-Spray喷涂产品均在高压条件下存储。使用时请佩戴合适的眼，手及皮肤防护装备。相见材料安全数据表。

首先，在不安装材料筒的条件下检查喷枪的所有功能。利用可以快速连接的耦合器将喷枪与压缩空气连接。建议使用的空气压力为6Bar。操作前应先确保压缩

空气中不含有水和油类物质。

触发器：（在流量调节器打开状态下）用于开启枪内喷涂材料的供应。在筒内喷涂材料被耗前，喷枪压料柱塞会和喷涂材料一直保持平行流动。（图4）反转按钮：如果同时按下”反转按钮”和”触发器“了两个按钮，喷枪压料柱塞将改为向原来移动方向相反的方向移动。这时可以将用尽的喷涂材料筒取下。请勿用手直接扳动喷枪压料柱塞（见图5）。

图4 触发器 图5：反转按钮 图6：流量控制器

喷涂材料流量调节器：循环流量调节器的指针在喷枪的尾部（将图6），用于控制筒内涂料流出的速度。顺时针方向转调节器增大流量速度，反时针方向降低流速。初次使用诺曼克U-Spray的人员在开始时应选择较慢的流速。喷涂材料流量调节器对于流量的调节存在一定的滞后时间。

供气调节器：作业员可以通过调整供气调节器来控制输送到U-Spray喷涂系统顶端的空气量。这些空气用来雾化和喷射U-Spray喷涂材料。通过对供气调节器的设置来控制喷涂模式以及雾化粒子的大小。喷涂需要使用的喷涂模式决定供气调节器的设定。大多数情况下供气调节器转动约一周就可以达到理想的效果。调节器允许的空气量越高，雾化的粒子就越精细。太高的空气压强以及过细的雾化粒子会导致过喷以及材料浪费等问题。建议将空气量调节到一个较好的平衡水平，这样不仅可以确保较好的供气模式和散热效果，而且可以最小化材料的浪费。关闭供气调节器时，其分配器还可以被用来做浇铸成型和注射成型。（见右图）

图7：空气控制器 6.喷涂材料筒

根据喷涂基材的不同，诺曼克U-Spray喷涂材料可以在室温下或者在加热的情况进行喷涂作业。大体而言，LVHS系列涂装产品需要先进行加热以降低其粘度，这样才能获得平滑的涂层。而对于GL和聚脲喷涂产品则在只需在室温下进行喷涂操作即可，因为它们的初始粘度较低。LVHS系列材料的加热根据微波炉耗电瓦数的不同加热时间在1.5至3分钟之间。最好使用旋转可调式微波炉对油漆进行加热，因为它有利于使涂料获得均一的温度。当然也可以使用不旋转式微波炉，在加热过程中需要对喷涂材料筒进行旋转。对于油漆已经被使用了一部分的，喷涂材料筒应该适当减少加热时间以防止油漆过热。同样，您也可以使用温度控制在50℃到60℃之间。

谨防皮肤烧伤！

请勿将U-Spray筒装喷涂材料过度加热。过热可能会导致塑胶桶融化并喷射出极度高温材料。对于过度加热后的喷涂材料筒，请给予足够的冷却时间以后再进行下一步的操作处理。

较大的喷涂材料筒内会存在一个可视的空气泡。通过此空气泡的流速来确定黏糊状的涂料是否完全液化。在反复倒转喷涂材料筒的过程中观察空气泡是否能正常无阻碍的向上移动。

为确保加热后涂料得到均匀分散，请反复翻转喷涂材料筒十次左右并检查材料流动状况。拉开筒上的橘色运输保护盖，（图8）然后将筒上的两个半月形密封盖从喷涂材料筒上取下。(图9)

图8：橘色运输保护盖 图9：半月形密封盖

此时筒应一直保持垂直状态以防涂料的两个部分混合到一起。

安装流量控制器，安装后需确保筒上的两个开口完全一致。（图10）将混合器/喷嘴安装到筒上，用钳子和镊子缓慢的拧紧盖形螺母（图11）。如果盖行螺母没有完全拧紧，在螺纹处就有可能出现泄漏现象，泄漏的涂料掉到涂层表面就会导致涂装缺陷的出现。如果盖型螺母拧的过紧，就有可能会由于扭力而损坏喷涂材

料筒（当然这种可能性不是很大）。

图10：流量控制器 图11：盖形螺母

在拧盖行螺母的时候，需要留意材料不会流到混合器/喷嘴内。材料中的任何一种成分如果在此时进入到混合器/喷嘴中都会迅速反应并固化，进而导致喷嘴阻塞。7.涂装作业

喷涂设备安装：完全倒转喷枪压料柱塞。喷涂材料筒加热以后立即安装到喷枪上，较大的筒安装到较大的柱塞上，较小的安装到较小的柱塞上。安装时需要格外小心，这样才能确保筒上的柱塞滑动到喷枪的柱塞上（图12），同时可以避免将筒的柱塞压到筒内。将供气调节器连接头上（图13）的透明供气软管，连接到混合器/喷嘴顶端（图14，15）。慢慢的打开流量调节器和供气调节器的阀门。

图12：滑动图示 图13：供气软管

图14： 喷嘴 图15：供气软管

气泡的清除：喷涂材料A、B两组分内的气体应该分开清除。由于喷涂材料筒的特殊结构，如果这两组分涂料内的气体不分开清除，那么空气清除动作完成以后，其中的一个筒或者两个筒内仍然有存在空气的可能性。如果气体未完全清除，这些气体就会将部分涂料送至混合器处，进而喷涂作业中会喷涂出一些正常比率以外的一些额外涂料。如果存在这种情况请不要将喷枪对准待涂装的基材表面，也请勿向上竖直持枪按触发器（图16）。应该持枪略指斜上方，将涂料A或B组份倾斜至喷枪的下方并进行喷射，这样才能使气泡完全射出（图17）。同样方法将材料的另一部分倾斜至喷枪下方并进行喷射以去除另一部分材料中可能存在的气泡（图18）。将全部多余气体出去以后，请检查并确保在喷枪混合气顶端充满了喷涂材料，不再存在任何气体。筒内以及混合器顶端的气体未清除干净会导致喷涂时出现过比率混合现象。

检查透明的混合器确定涂料的两个部分（无色部分和有色部分）可以均匀的流动，如均匀流动则说明混合后的涂料达到了均一混合的效果。

图16：请勿竖直放置 图17：空气清除方式 图18：空气清除方式

喷涂参数调整：通过调整空气调节器和喷涂材料流量调节器来获得需要的喷涂参数以及涂层表面效果。一旦上述调节后的参数达到了您满意的效果，继续按着触发器并立即向所要喷的基材表面进行喷涂作业。

涂装作业：涂装过程中最重要的一点就是在整个过程中不能出现中途间断的现象，即在喷涂结束或者材料筒内的涂料被用完前不能放开触发器。喷涂完成后的操作请参照本说明中“工作结束”中的解释。一旦在作业中间出现中断，需要立即放弃正在作业的涂层而重新进行喷涂作业。

喷涂作业前应先使用喷枪进行试喷，直到喷枪喷射出的蒸汽变得稳定并且确信不会再出现问题之后才能在最终需要喷涂的基材表面进行作业。任何喷涂材料如果在使用过程中经常中断都会导致堵塞喷涂管道等问题，这些问题会进一步导致喷涂失败以及涂层起泡等现象的出现。如果喷涂过程中中断时间超过一分钟，喷涂材料就会在混合器/喷嘴处发生反应，这时需要更换混合器和流量控制器。

涂装结束：在筒内材料快要用尽时放开触发器并关闭供气调节器。请勿将筒内所有材料用完，一般需在筒内留有3mm左右深的材料，否则可能会导致材料配比失败，进而导致喷涂失败。

8.喷涂技巧

在未达到要求的涂层厚度以前，需要一道涂层紧接着一道涂层的进行喷涂作业。垂直表面上喷涂的每道/每层涂层的厚度应确保在0.3mm左右，这样的厚度能够防止出现流平及涂料松弛物。喷涂材料会在一分钟内发生反应，超过这个时间材料就不会再流动，这时就可以进行后面涂层的喷涂作业。为确保涂料充足均匀的喷涂在基材表面上，喷涂中请特别留意拐角和角落区域。在不同涂层之间的等待时间不能超过15分钟。参照本说明第10部分关于“超时间喷涂”的说明。

纳米涂层喷涂操作说明 篇2

热喷涂技术是表面工程领域中应用十分广泛的技术。如今, 纳米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方向。但由于普通纳米粉尺寸小、质量轻, 易被气流吹散或被高温火焰烧蚀掉, 故不能直接用于热喷涂。几年前研究出的纳米粉末的再造粒方法, 使具有纳米结构的粉末材料能够用于传统的热喷涂喷枪上, 从而使制备出纳米结构热喷涂涂层成为可能。另外, 由于目前的陶瓷材料普遍存在着脆性大和热震抗力低这两大缺点, 限制了陶瓷材料的使用范围。而作为涂层材料使用, 还要考虑到陶瓷涂层与基体材料间的结合强度以及涂层本身的致密性。上世纪末, 美国英佛曼公司采用王铀发明的纳米合金化技术制造出了具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能的纳米陶瓷涂层。如开发出的纳米结构氧化铝/氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层具有十分优

异的强韧性能及良好、耐磨抗蚀的可加工性、能抗热。这震热热喷涂纳米结构涂层技术一在世界上首获实际应用, 被的喷美国海军称之为一项革命性

的先进技术, 并已被广泛应用涂于军舰, 潜艇, 扫雷艇和航空

母舰设备上的数百种零部件纳上。2001年, 该技术获得被美

奖的世界研究开发项奖和美国媒体誉为应用发明诺贝尔米奖国。作为一种绿色环保技术国防部军民两用先进技术, 涂这种纳米陶瓷涂层是不仅可

以替代有污染的电镀铬方法, 层而且可以大幅度提高材料的

表面性能, 大幅度提高机械装技备的寿命, 大大地降低了能

令人倍感欣慰的是耗, 因而用途十分广泛。, 现就术职于黑龙江省哈尔滨工业大

学的王铀教授, 将先进的纳米陶瓷涂层技术从国外带回了国内, 并志士不移地进行创新研究, 开展了高性能精细纳米陶瓷喷涂材料项目的研制工作, 该项目技术成果成功地解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题, 与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷粉体材料相比, 主要性能达到了同等水平。如所开发出的纳米结构氧化铝/氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130涂层有着高出3~10倍的耐磨性, 高出1倍的抗蚀性, 高出1倍左右的断裂韧性, 高出1~2倍的结合强度和抗热震性能, 高出5~10倍的疲劳抗力。

纳米涂层喷涂操作说明 篇3

空气喷涂的原理是将压缩空气从喷枪空气帽的中心孔喷出，在喷嘴前端形成负压区，使液-气相急剧扩散，使汽车涂料成为微粒，呈漆雾状飞向并附着在被涂物表面，涂料微粒迅速集聚成连续的涂膜。空气喷涂是上世纪20年代为适应快干涂料而开发的涂装工艺，如今已有很大改进。空气喷涂具有涂装效率高、适应性强、涂膜质量好等优点，至今仍是应用最广泛的涂装工艺之一，但同时它也有漆雾容易飞散、污染环境等缺点。

空气喷涂装置包括喷枪、压缩空气供给和净化系统、输漆装置和喷漆室等。喷枪是空气喷涂的主要工具，对涂膜的质量影响最大。压缩空气供给和净化系统包括空气压缩机、贮气罐。油水分离器和输气管等。压送式喷枪还需要增压箱或输漆泵等输漆装置。喷漆室可保护环境和保证涂装质量。1，喷枪的种类

喷枪可按很多方式进行分类，按混合方式可分为内混式和外混式喷枪。内混式喷枪的涂料和空气在空气帽内侧

混合后喷出，可用于喷涂油性漆、多色美术漆、汽车涂料和涂装小物件，喷雾图形也仅限于圆形。外混式喷枪的涂料和空

气在空气帽的外侧混合，这种喷枪用途广泛。

2，喷枪的结构

喷枪一般由枪头、调节部件和枪体三部分组成。枪头包括空气帽、涂料喷嘴和针阀等部分，其作用是将漆料雾

化，并以一定图形喷涂至被涂物表面。调节部件是指调节涂料喷涂喷出量、空气流量和喷雾图形的装置。枪体

上装有扳机和防止漏漆、漏气的密封件。3，空气喷涂作业（1）涂料的雾化

空气喷涂是通过空气和涂料混合使涂料雾化，雾化效果直接影响到涂膜的质量。涂料的雾化程度取决于空气喷

出量与涂料喷出量之比Qi。即在涂料喷出量一定的情况下，空气喷出量决定于空气帽中心孔与辅助空气孔喷出

空气的速度与流量。对于不同规格的喷枪，在进行喷涂作业时为了达到必要的雾化程度，必须首先确定Qi。尽

管大喷枪的空气喷出量和涂料喷出量都比小喷枪大，但要达到相同的雾化程度，其Qi值应该是相似的。对于同 一喷枪，既可以采用增大空气喷出量的方法，也可以减小涂料喷出量的方法，来增大Qi值，使漆雾变细。（2）喷枪的调节

喷涂作业前，必须根据被涂物的形状、涂装的质量要求，将喷枪的空气压力、涂料喷涂量和漆雾图形的幅宽调

整到适宜的喷涂条件，而这三者之间有着密切的关系。A,空气压力的调节

喷枪的空气压力有一定的调节范围。空气压力高，漆雾粒子细，分散多，涂料损失大；空气压力低，漆雾粒子

粗，涂膜表面粗造，会产生橘纹、针孔等缺陷，所以应适当选择压力，并且保持压力稳定。B,涂料喷出量的调节

涂料喷出量大，工作效率高，但是对于吸上式和重力式喷枪，涂料喷出量受到空气压力（或空气量）的限制。

由于空气压力的升高是有限的，过多地增加涂料喷出量，会造成漆雾粒子粗，影响涂膜质量。压送式喷枪是通

过调节增压罐的压力来调节涂料喷出量，然后再调节喷枪的涂料喷出量调节机构，达到合适的喷出量。

C.喷雾图形的调节

喷雾图形的大小称为喷雾幅宽，对于图形的喷雾图形是指它的直径，对于椭圆形的喷雾图形是指它的长轴长度

。通过喷枪上部的调节螺栓可以控制空气帽侧面空气孔的空气流量，实现喷雾图形的调节。关闭侧面空气孔，喷雾图形呈圆形，主要用于较小的被涂物表面；打开侧面空气孔，喷雾图形变成椭圆形，主要用于大面积喷涂，应用广泛；侧面空气孔的空气流量越大，喷雾幅宽越大。虽然增加空气压力会增加喷雾幅宽，但超过一定的

限度，喷雾图形的中心部分会变窄直至断开。横向喷涂时，应将空气帽的侧面空气孔调到横轴位置；纵向喷涂

时，应将侧面空气孔调到纵轴位置。（3）空气喷涂的操作要点

喷涂距离、喷枪运行方式和喷雾图形的塔接是空气喷涂的三个操作要点。

喷涂距离指喷枪前端到被涂物的距离。一般情况下大喷枪喷漆距离为20-30cm，小喷枪为15-25cm。喷涂距离

越近，在单位时间形成的涂膜厚，易产生流挂；喷涂距离过远，涂膜变薄，涂料损失大，严重时涂膜表面粗造。

喷枪的运行方式包括喷枪与被涂面的角度和喷枪的运行速度。喷枪与被涂面应垂直，平行运行，才能保证喷

涂距离恒定。喷枪的运行速度一般在30-60cm/s，并保持恒定。如果喷枪倾斜或运行速度多变，都得不到厚度均

匀的涂膜，并且产生缺陷。尤其是在喷涂汽车涂料时，要特别注意。

漆雾图形的塔接指喷涂时，喷雾图形之间部分重叠。由于喷雾图形中部较厚，边沿较薄，所以前后喷雾图形 的边沿部分互相塔接，才能保证涂膜厚度均匀。前后塔接的程度一般为有效喷雾图形幅宽的1/4-1/3，且应保持 不变。

（4）选择喷漆的原则

无论是内混式喷枪还是外混式喷枪，在选用时主要考虑以下四个因素：枪体的重量和大小、涂料的供给方式、喷嘴口径和空气使用量。（1）枪体重量和大小

从减轻劳动者的工作强度来看，希望选择用小型体轻的喷枪。但是小喷枪涂料喷出量和空气量都比较小，效

率低，不适宜大量涂装。如果用大型喷枪喷涂小型被涂料物，则会造成漆雾飞散多，涂装损失大，也不适合。

因此应在满足喷涂作用条件的情况下，考虑喷枪的重量和大小。（2）涂料的供给方式

涂料用量少、颜色更换频繁的小批量涂装可选用涂料罐容量1L以下的重力式喷枪，但不适用于仰面涂装。涂料

用量稍大、颜色更换次数多，特别是侧面喷涂时，选用涂料容量罐1L以下的吸上式喷枪。涂料用量大，颜色比

较单一的连续喷涂可选用压送式喷枪，配以容量为10-100L的增压罐或带有循环管路的涂料泵。

（3）涂料喷嘴口径和空气使用量

喷涂喷嘴口径要适应所要求的涂料喷出量。喷嘴口径越大，涂料喷出量越大。因而，黏度高的涂料应选用喷 嘴口径大的喷枪。压送式喷枪的涂料喷出量随压送涂料的压力增高而增大，可选用喷嘴口径小的喷枪。喷涂底

漆以及对涂膜外观要求不高或涂膜较厚时可选用喷嘴口径大的喷枪。喷涂面漆时，对漆料雾化要求较高，可选

用喷嘴口径较小的喷枪。喷嘴口径不同，空气使用量也不同。喷嘴口径小，空气使用量小，相应的涂料喷出量 也小，反之亦然。

4，热喷涂法

喷涂加热的涂料称为热喷涂。加热的方式可替代加稀释剂使涂料粘度下降，所以热喷涂最初是为了提高硝基

涂料的固含量而开发的，由于具有涂装质量高、作业周期短和环保等优点，得到广泛应用。通常热喷涂设备是空气喷涂喷枪配以涂料加热器。涂料加热器的加热方式有热上加热、蒸汽加热、电加热等，其中电加热使用方便快捷，控温准确，应用最广。为了保持温度恒定，涂料加热器与喷枪之间必须形成循环 通道。

热喷涂法适用于加热后黏度显著下降的涂料，如水溶性涂料、高固含量涂料扽个，对于双组分涂料，可分别

纳米涂层喷涂操作说明 篇4

纳米陶瓷涂层耐磨、耐蚀,孔隙率低,韧性高[1]。目前,获得纳米陶瓷涂层的方法有热喷涂、磁控溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、电沉积、溶胶-凝胶法等[2]。等离子喷涂温度高于10 000 K,冷速极快(106~107 K/s),粉末颗粒在火焰中的停留时间短(3~10 s),原子来不及扩散,纳米颗粒长大受限,从而可以在涂层中形成纳米晶[3]。

纳米陶瓷涂层的硬度是其重要的质量指标之一,涉及到涂层的耐磨性、强度及使用寿命等。但是热喷涂层成分和显微结构的不均匀性,加上样品抛光和测试误差等,使测定的显微硬度分散性较大。单一的测定值或多个数据的平均值不能清楚地说明显微硬度测量结果的可靠性,应用Weibull统计方法可以真实地反映其微观组织结构与显微硬度的关系。本工作在分析涂层显微组织结构的基础上,对其显微硬度Weibull分布特性进行了系统研究,以期揭示纳米陶瓷涂层具有优异力学性能的主要原因。

1 试 验

1.1 基材处理

基材为Q235钢板,尺寸50 mm×50 mm×4 mm,经丙酮净化、16号棕刚玉砂喷砂粗化后备用。

1.2 喷涂过渡层和AT13纳米、微米涂层

选用NiCrAl合金粉末作为过渡层材料,主要成分(质量分数):19.0%Cr,5.0%Al,余量Ni。

陶瓷粉末作为工作涂层材料:采用机械破碎法制备微米AT13(87%Al2O3, 13%TiO2,均为质量分数)粉末,不球化处理,粉末粒度为 38~44 μm;采用团聚法制备纳米团聚态的AT13球状粉末,粉末平均粒径为20~50 μm,团聚后粒度为260~325目。

采用APS-2000型等离子喷涂系统制备NiCrAl过渡层、纳米AT13涂层(ncc)和对照用的微米AT13(mcc)涂层,工艺参数见表1。

1.3 测试分析

采用FM-700SVDM4型显微硬度测试仪测量显微硬度。金相试样经镶嵌、抛光而成,压头载荷为2 N,加载时间为10 s,每个试样测试20个数据,测试点或任意2压痕的中心间距必须超过其对角线的4倍,与试样边缘的距离不小于其对角线的2倍。采用D/Max 2500PC型X 射线衍射仪(XRD)分析涂层的相组成,采用 KYKY2800B 扫描电子显微镜(SEM) 观察涂层形貌,用H-800透射电镜(TEM)对涂层的微区结构进行选区衍射分析。

2 结果与讨论

2.1 AT13涂层硬度的Weibull分布

由于AT13涂层内部裂纹、孔洞等缺陷是随机分布的,相应的硬度也是如此分散的,其概率累计密度函数可用Weibull分布表示[4]:

undefined

通过绘制lnH~ln[-ln(1-F)]坐标点,对其离散点进行线性回归,求出拟合线的表达式:

y=kx+b (2)

其中,斜率k和直线在x轴上的截距分别就是参数β和lnη的值。在样本小于50个的情况下,第i个测试值的累积密度函数Fi可以表示为Fi=(i-0.5)/n。

β的大小反映涂层硬度的离散性,由此可得:β越大,涂层硬度的分散性越低,性能愈稳定;反之,硬度的分散性越大,性能稳定性越低。

2种涂层表面的显微硬度见表2,数据处理 Weibull分布见图1。可见在mcc中只存在一种硬度分布,而ncc中则存在着双态分布。

表3为2种AT13涂层Weibull分布的形状参数β的数据。由表3可得:(1)β(ncc)>β(mcc),ncc显微硬度离散性显著优于mcc;(2)2种涂层硬度分布范围也不同,ncc涂层硬度波动范围较小。

结合图1和表3可知:mcc涂层的平均显微硬度为807.17 HV2 N,ncc的平均显微硬度为885.59 HV2 N,显著高于mcc涂层,且具有良好的R检验性。

2种AT13涂层表面显微硬度分布和总体样本分布的差别说明微纳米涂层微观结构、相变、孔隙率、孔洞及微裂纹的分布有差异。

2.2 AT13涂层硬度与其组构的对应关系

2.2.1 微观组织与结构

图2为2种涂层的断面显微形貌,可见:ncc粘结层与基体、基体与涂层的结合界面清晰、平滑曲折,结合紧密;mcc涂层内部有典型的熔滴状、片层状和扁平盘状结构,且多是层层叠加堆积而成的,各层之间夹杂有孔洞和未熔颗粒。

粉末颗粒熔融沉积后,迅速形成片状,在铺展凝固的同时本身产生收缩应力,当收缩应力大于涂层内部强度极限时,涂层形成裂纹[5]。2种AT13涂层中的微观裂纹见图3。其大小、分布密度显著不同,主要分布在熔化不完全的未熔区域(见图3白色箭头所指);ncc涂层中的裂纹比mcc的细小、量少,归因于纳米涂层本身的增韧效果,降低了涂层开裂剥落的缺陷,这有利于纳米陶瓷涂层在大型薄壁器件上的应用。ncc中未熔融颗粒、孔隙比mcc的小而少,大大提高了其硬度和耐磨、耐蚀性能;ncc粒径明显比mcc粒径小得多,其硬度值较mcc的高;白色微颗粒保持着初始的纳米级团聚态,基本未熔,紧密团聚在一起,且被已熔部分包围,整体呈弥散分布状;未熔或半熔团聚态颗粒喷射到基体上保留原来的纳米结构,形成了纳米结构涂层;涂层中存在适当比例的未熔或半熔态的纳米粒子和充分熔化的片层状组织,导致ncc硬度呈现双态分布现象。

图3中mcc及ncc A,B区的透射形貌及其对应的电子衍射形貌见图4。由图4a可看出,mcc中的晶粒主要为等轴晶。由图4c看到:mcc涂层晶粒近似呈典型的等轴状,尺寸较大,截面尺寸在130~240 nm;部分近似棒状和柱状的晶粒及少量不规则形状的晶粒的截面尺寸在200 nm左右;每个大晶粒都由多个小晶粒聚合而成,排列紧密;边缘还有部分不规则状晶粒,尺寸也都大于100 nm。对比可知,在ncc涂层的液相凝结过程中,温度梯度的变化和结晶冷却的过程要比mcc涂层的复杂,得到的组织也不同。对比图4b和图4d可知,mcc和ncc涂层中除了大量的结晶态α-Al2O3 外,还有少量η-Al2O3,它是Al2O3的一种非稳定态,快速冷却时被保留到室温。α-Al2O3多晶与非晶衍射环在衍射中除了衍射斑点和漫散射环外,还有一系列小点组成的同心圆的多晶衍射环,表明非晶中存在晶体相[5,6];α-Al2O3微晶与非晶共存的区域弥散分布着大量的纳米级细小结晶体,这种组织弥散分布的现象对提高涂层硬度和强度是非常有利的。

2.2.2 物相

图5显示,2种AT13涂层均以α-Al2O3、γ-Al2O3和少量Rutile-TiO2(金红石)为主物相,但mcc含有Al2TiO5相,而ncc中则没有。Al2TiO5相主要是α-Al2O3和Rutile-TiO2高温化合而成的。其中只有α相为室温下最稳定相,其他都为亚稳相。α-Al2O3属于三方晶系,氧离子为六方紧密堆积,具有较高的硬度和介电性能,在高温下具有非常好的稳定性。γ-Al2O3相属于立方晶系,为尖晶石型结构,氧离子近似为立方面心紧密堆积,铝原子填充在空隙中,高温下不稳定,可转化为α-Al2O3。 γ-Al2O3是涂层在1 000 ℃以上快速冷却时形成的,其排列具有一定的择优取向性[7] 。ncc中的γ-Al2O3相对于α-Al2O3明显比mcc中少,γ-Al2O3是具有尖晶石结构的介稳态组织,是喷涂过程中由α-Al2O3在冷却过程中发生晶型转变得到的,会降低涂层的硬度[7]。这是ncc硬度比mcc高得多的主要原因;ncc中没有Al2TiO5相,即剩余大量TiO2没有和α-Al2O3化合生成Al2TiO5,导

致ncc 中TiO2的含量比mcc中多;大部分TiO2颗粒由于熔点低,粘结力强,嵌并在Al2O3颗粒之间的空隙中,可显著提高ncc涂层的硬度、致密度、耐磨耐蚀以及粘结强度等性能[8]。

3 结 论

(1) 纳米AT13涂层的表面显微硬度的平均值明显高于微米涂层,而且具有良好的R检验性。这种差别反映了2种涂层的微观结构、相变、孔隙率、孔洞及微裂纹的分布有差异。

(2)纳米微孔(微裂纹)韧化、晶粒细化和纳米Al2O3颗粒的弥散强化是纳米AT13涂层显微硬度值提高的主要因素。

(3)纳米AT13涂层以稳定相的α-Al2O3、立方结构的γ-Al2O3和少量金红石型TiO2为主要物相。γ-Al2O3的存在会降低涂层的硬度,TiO2颗粒嵌并在Al2O3颗粒之间的空隙中,可显著提高纳米AT13涂层的硬度、致密度、耐磨耐蚀及粘结强度等性能。

(4)未熔或半熔团聚态粉末颗粒喷射到基体上保留原来的纳米结构,形成了纳米结构涂层。涂层中存在适当比例的未熔或半熔态的纳米粒子和充分熔化的片层状组织,这种双重的结构导致了纳米AT13涂层的硬度呈现双态分布现象。

参考文献

[1]侯根良,王汉功,杨晖,等.冷喷涂技术制备纳米涂层[J].兵器材料科学与工程,2003,26(2):49～51.

[2]倪立勇,孙宏飞,毕继鑫.等离子喷涂纳米陶瓷涂层研究进展[J].材料保护,2008,41(4):44～46.

[3]Chen H,Lee S W,Du H,et al.Influence of feedstock andspraying parameters on the depositing efficiency and mi-crohardness of plasma-sprayed zirconia coatings[J].Mate-rials Letters,2004,58(7～8):1 241～1 245.

[4]赵文明,王俊,翟长生,等.纳米复合涂层ZrO2/0.05w(Al2O3)力学性能的Weibull分布特性[J].中国表面工程,2005,18(4):13～17.

[5]王灿明.等离子喷涂耐磨涂层技术在大型薄壁零件上的应用研究[D].青岛:山东科技大学,2010:4～46.

[6]马壮,邹积峰,李智超.镁合金热喷涂Al2O3纳米陶瓷涂层性能研究[J].兵器材料科学与工程,2010,33(4):39～42.

[7]徐滨士,李长久,刘世参,等.表面工程与热喷涂技术及其发展[J].中国表面工程,1998(1):3～9.