热喷涂层

热喷涂层（精选7篇）

热喷涂层 篇1

0 引言

接触疲劳失效是工件两接触表面在交变载荷的长期作用下,相对于基体产生的剪切塑性变形及其积累,并在接触表面产生麻点、浅层或深层剥落而使材料损失的现象,是齿轮、轴承、轮轨等机械零部件常见的表面失效形式[1]。表面失效往往会导致机械零部件整体报废,造成资源的极大浪费[2]。

热喷涂作为一种修复和保护性技术,具有适用范围广、工艺灵活等特点,已广泛应用于军事、生物、环保、建筑、水利、化工、电力等几乎所有工业领域及科学技术领域[3]。研究表明[4,5,6],热喷涂技术可以使基材获得自身不具备的特殊成分、结构,同时也可以得到整体材料难以达到的防腐、耐磨、减震、抗高温、抗氧化等性能。但是,热喷涂层是由高温液滴撞击基体表面,经熔滴扁平变形、冷却凝固而成,由于其成型过程的特殊性,对涂层表面完整性如残余应力、微缺陷、结合强度等造成很大影响,并且降低了涂层的接触疲劳性能和使用寿命。

因此,在涂层服役之前,要对其进行一定程度的热处理,以改善涂层质量,从而提高其接触疲劳性能,延长其使用寿命[7,8,9,10,11]。目前针对涂层的热处理方法主要有3类:重熔、化学热处理及热等静压。本文拟针对上述3种热处理方法进行综述,以期促进热喷涂层热处理技术的发展,并指导实际应用。

1 热喷涂层接触疲劳失效行为和寿命演变的影响因素

涂层作为零件的保护或修复层,是工件接触疲劳失效的主要部位,其质量的好坏对工件的疲劳寿命起着决定性作用[12,13]。对涂层而言,学者通过分析表面完整性来分析涂层质量。表面完整性命题为:加工后材料表面或近表面的形状及力学特性。涂层的表面完整性包括残余应力、微缺陷、结合强度等。

1.1 涂层残余应力

激冷薄层产生的淬火应力、涂层与基体的热膨胀系数失配程度及涂层内热梯度均是影响涂层内部残余应力的因素。残余应力主要影响涂层内部裂纹的萌生和扩展,从而影响涂层的接触疲劳失效模式和寿命[14,15,16]。如图1所示[17],热喷涂层内一般为残余拉应力。涂层内存在残余拉应力时,涂层寿命较短,失效模式以开裂和分层失效为主;涂层内存在残余压应力时,涂层寿命较长,失效模式以剥落失效为主。

分析认为,在循环载荷拉应力的作用下,涂层内部残余拉应力促使裂纹萌生和扩展,而残余压应力抵消或部分抵消拉应力的作用,涂层所受平均应力降低,裂纹的萌生和扩展受到抑制,涂层使用寿命延长。

1.2 涂层微缺陷

热喷涂层由熔融粒子撞击形成的扁平状变形粒子组成,如图2所示[18],其内部微缺陷如孔隙、裂纹、未熔颗粒、氧化物等不可避免。研究表明[19,20],涂层内微缺陷含量较多时,涂层寿命较短,以分层失效为主;微缺陷含量较少时,涂层寿命较长,以剥落失效为主。图3为孔隙形成的3种模式,喷射角度不同、基体表面不平、凹陷处存在的气体均会恶化变形熔滴的重叠情况。在接触疲劳实验接触力的作用下,涂层内部应力分布不均,微缺陷处易出现应力集中,这些是裂纹萌生的源头。

1.3 涂层结合强度

涂层结合强度分为涂层与基体的结合强度、涂层内聚强度两部分。热喷涂层本身固有的层状结构是导致涂层内聚强度较小的主要原因,而热喷涂层与基体的结合强度往往又低于涂层内聚强度,两者共同影响涂层服役性能。热喷涂层与基体以机械结合为主,结合强度相对较小。分析认为,热喷涂层与基体结合强度较小的原因主要有3方面:喷涂熔滴大小不同,小粒子易氧化,熔滴表面氧化膜抑制喷涂颗粒与基体的结合;基体与喷涂材料晶格类型、晶格常数不匹配,基体温度较低(一般不高于200 ℃),熔滴撞击基体表面,快速形核长大,难以与基体形成晶内结合;涂层冷却过程中,熔滴粒子冷凝、收缩,与基体结合强度进一步减小。

服役过程中,沿涂层表面到基体方向,内部所受到的剪应力值先增加后减小。研究表明[21,22],结合强度较小的涂层,所能承受的应力值有限,多以快速的分层失效为主,涂层寿命较短;结合强度大的涂层,所能承受的应力值增加,多以点蚀和剥落失效为主。

1.4 其它因素

在接触疲劳的磨损过程中,涂层表面粗糙度[23]、厚度[24,25]、硬度[26]也会对接触疲劳性能和寿命造成影响。表面粗糙度直接影响涂层表面的润滑状态和裂纹的萌生、扩展速度,厚度影响涂层内残余应力的分布状态,表面硬度影响涂层内部所能承受最大切应力值的大小,增加硬度可有效抑制涂层表面磨损。

2 热处理对热喷涂层表面完整性及接触疲劳性能的影响

2.1 涂层重熔处理

表1列出了重熔工艺的分类和特点。重熔处理主要分为激光重熔、电子束重熔、火焰重熔、感应重熔、整体加热重熔等几类。重熔过程伴随着成分渗透和扩散强化,研究表明[27,28,29,30,31,32,33,34,35,36],重熔可以使涂层组织致密、颗粒成规则紧密排列,重熔涂层孔隙率降低、裂纹减少、涂层与基体结合力增加。

王韶云等[19]对自熔合金涂层进行了整体加热重熔,并分析、比较了重熔前后两种涂层的结构及接触疲劳性能。如图4所示[19],热喷涂层的微孔隙较多,打底层与基体之间可看到明显的裂纹,这些缺陷对涂层和基体的结合强度有较大影响,易使涂层形成大面积脱落,形成分层失效,从而降低涂层的疲劳寿命,重熔处理可以减少涂层微缺陷的含量,其主要失效模式为剥落失效,剥落部位不易扩展,显著提高了涂层的疲劳寿命。

Zhang等[37,38]对激光重熔热喷涂层的失效模式和失效行为进行了研究。结果表明,重熔涂层的失效模式为剥落失效。在接触应力作用下,涂层表层和亚表层裂纹先后萌生,扩展为环形裂纹和分支裂纹,形成密集的裂纹网络,最终导致涂层形成碎片而剥落。

另外,随着重熔研究和应用的不断深入,重熔涂层裂纹的防治已成为当前该领域急需解决的问题[31,39],为得到组织致密、质量优异的涂层,需优化重熔工艺参数及方案。重熔处理也会使涂层厚度减薄[40,41]。因此,在选择重熔方案和制定工艺参数时需考虑对裂纹和厚度减薄的控制。

2.2 涂层化学热处理

涂层化学热处理是利用元素扩散性能,将工件置于一定温度的活性介质中保温,使活性物质的原子渗入工件的表层中,改变涂层的化学成分、组织和性能的热处理工艺[42]。它既是一个复杂的物理化学过程,也是一个复杂的冶金过程。目前涂层的化学热处理主要有5种:渗硫、渗硼、渗碳、渗氮、碳氮共渗。表2为几种化学热处理工艺的比较。

化学热处理过程中,外部原子的渗入通常都会在工件表面形成压应力层,使工件的疲劳强度增大。另外,不同的化学热处理元素为增强涂层的接触疲劳性能做出特定的贡献,渗硫可以降低摩擦系数、提高涂层抗咬合能力[43];渗硼可以提高涂层硬度[44];渗碳、氮化、碳氮共渗均能提高涂层的硬度、疲劳强度[45,46,47]。但是,同时需要注意外部原子带来的不利影响,例如,硼化层较脆,渗层厚度越大,涂层剥落倾向越大。Tatsuro等[48]在研究等离子渗碳对类金刚石涂层的疲劳强度的影响时发现,等离子渗碳后涂层疲劳强度比未经处理的涂层增加20%。渗碳层表面硬度及残余压应力值增加,对抑制裂纹萌生和扩展起到了积极作用。

但是,不当的化学热处理对接触疲劳性能会造成不良影响。Piao等[46]研究了渗氮前后铁基涂层的滚动接触疲劳行为,发现微缺陷处易产生裂纹,涂层与对滚轮之间的正交剪切应力是导致涂层滚动接触疲劳裂纹扩展的主要原因。图5为渗氮后涂层的断面微观形貌[46],在涂层表面的渗氮层清晰可见,渗氮层微缺陷并未减少,与喷涂层相比,渗氮层的脆性增加,对裂纹扩展起到促进作用。

2.3 涂层热等静压处理

热等静压(简称HIP)过程主要是涂层致密化的过程,其实质是粉末颗粒相向孔隙相填充的过程,当粉末体承受的应力大于自身屈服切应力时,粒子就会产生塑性变形,其中一部分粒子会被挤入临近的孔隙中,该过程主要体现了塑性变形机制和扩散蠕变机制。如图6所示[49],热等静压处理后涂层微缺陷减少,硬度增加,涂层内聚强度、涂层与基体结合强度增加[50,51]。

Khor等[50]对离子喷涂陶瓷基热障涂层进行了热等静压处理,研究发现,热等静压处理后的涂层孔隙减少,可有效抑制氧气渗入导致的中间层氧化,防止涂层系统被破坏。Ab-dou等[52]对热等静压处理后等离子喷涂陶瓷涂层的接触疲劳性能进行研究,发现热等静压处理后涂层疲劳寿命延长,这主要是由于热等静压处理后,涂层高拉伸应力松弛,残余拉应力减少,使涂层内裂纹萌生、扩展速率降低。

Stewart等[12,49]对热喷涂WC-NiCrBSi涂层进行热等静压处理,对热喷涂层与不同热等静压条件下得到的涂层的接触疲劳性能进行研究,发现1200 ℃热等静压处理后涂层的接触疲劳寿命明显高于热喷涂层,而且涂层的失效模式由分层和剥落失效转变为磨损失效,这主要与热等静压处理提高涂层硬度和弹性模量有关。高温条件下,WC分解形成的复杂碳化物是导致涂层显微硬度提高的主要原因。高温高压作用下片层结构结合强度增加,涂层弹性模量和断裂强度提高。

但是,由于温度和压力的作用,热等静压处理后,涂层表面易出现收缩,导致表面不平整,表面粗糙度增加,会加速涂层的接触疲劳失效。另外,热等静压处理之前的样本必须保证较高密度,否则传压气体可能会进入涂层内部孔隙,对孔隙的闭合不利,这就对热喷涂工艺有一定要求[53]。

2.4 小结

上述3种后处理工艺均能有效减少涂层内部的微缺陷,改善涂层内部、涂层与基体的结合情况。但是,由于各种工艺自身特点不同,适用涂层类型不同。重熔热源的能量密度范围较大,因此,重熔后处理工艺适用于金属涂层、金属陶瓷涂层以及陶瓷涂层;化学热处理主要应用在金属涂层上,尤其是铁基金属涂层;热等静压处理较适用于陶瓷涂层。

3 结语与展望

近年来,热喷涂层的热处理技术已经得到广泛应用,通过对全文的系统梳理,发现热处理可以改善涂层表面完整性:涂层微缺陷消除或部分消除;涂层组织致密,涂层由原来的层状组织变为致密、较均匀的组织;涂层内聚结合强度、涂层与基体结合强度增加。

然而从一些研究中可以发现,经过一定热处理的涂层在某些环境下,其接触疲劳性能仍不理想。因此,在已有研究的基础上,可以从以下几个方面展开深入研究:

(1)继续深入阐明涂层失效机理与涂层表面完整性之间的关系。涂层的表面完整性包括残余应力、微缺陷、结合强度等,这些因素共同作用影响涂层的接触疲劳失效行为,为研究涂层失效机理增加了一定难度。

(2)进一步探索后处理工艺参数-微观结构-接触疲劳性能之间的影响规律和作用机理。迄今为止,国内外学者对三者的关系尚未有统一的认识,虽然已经有了一定深度的研究,但仍不能确定极优的工艺参数。

(3)挖掘其它热处理工艺方法,拓宽热喷涂层的应用领域,结合流体力学、数学图像学、计算材料学、传热学等学科,通过数值模拟,研究并建立热处理工艺参数、疲劳裂纹萌生和扩展方式与服役条件三者之间的关系,从而指导生产。

摘要：热喷涂层由于其形成过程的特殊性,致使其内部不可避免地出现一些裂纹、孔隙等微观缺陷,对涂层的接触疲劳性能以及使用寿命产生了恶劣影响,因此极大限制了其应用及发展。热处理不但可以改善涂层表面完整性,而且还能提高其滚动接触疲劳性能和使用寿命。较全面地分析比较了重熔、化学热处理、热等静压等工艺的不同,综述了各工艺对涂层接触疲劳性能和寿命演变规律的影响,并展望了其未来的研究及发展方向,以期为涂层的接触疲劳寿命预测提供一定的理论支持和技术指导。

关键词：热处理,热喷涂层,接触疲劳,疲劳寿命,微缺陷

热喷涂层 篇2

大多数陶瓷材料具有较高的化学稳定性,优良的耐海水、耐酸碱及耐大气腐蚀性能。在金属构件、零部件表面涂覆陶瓷涂层,可阻止腐蚀性介质渗透、扩散到基本表面,有效地保护和强化金属表面,改善机械设备的质量,提高其可靠性和使用寿命[1]。美国早在19世纪起就开始了陶瓷涂层的研究和生产,1997年,高性能陶瓷涂层的市场销售额为7.1亿美元,2007年已增至14.4亿美元,年均增长率为7.3%。我国在该领域的研究始于20世纪50年代,直至20世纪70年代后才得到快速发展[2,3]。目前,陶瓷涂层对金属防腐蚀性能的研究主要涉及到陶瓷涂层种类及其耐蚀性能、涂层对不同金属耐蚀性的改善以及提高热喷涂陶瓷涂层防腐蚀性能的后处理。以下就此逐一加以途述,并结合存在的问题指出了今后的研究方向。

1 陶瓷涂层的耐腐蚀性能

目前,应用较多的陶瓷涂层为氧化物陶瓷涂层、碳化物陶瓷涂层和金属陶瓷涂层。Al2O3-ZrO2陶瓷涂层经1 a的海水浸泡都未发生腐蚀,可安全应用于海水环境中[4]。SiO2陶瓷涂层在H2SO4和NaCl溶液中的耐蚀性比1Cr18Ni9不锈钢高2倍以上[5]。陶瓷涂层比有机涂层更耐老化,在大气环境中耐蚀性更长久[6]。在H2SO4溶液中,氧化物陶瓷涂层、氧化物与金属复合涂层的腐蚀电阻高于金属陶瓷涂层或碳化物与金属复合涂层,如Al2O3,Al2O3+TiO2,ZrO2+NiAl和MgZrO3+NiAl涂层的耐蚀性比Cr2 C3+NiCr,NiAl和NiCrAl涂层的更好,其中氧化物陶瓷涂层比金属陶瓷涂层的耐蚀性更好[7]。

添加相影响着陶瓷涂层的耐蚀性。在Cr2O3陶瓷涂层中加入适量的CeO2或SiO2[8],喷涂时CeO2或SiO2沿Cr2O3颗粒表面分布并形成低熔点液体,同时还与Cr2O3发生接触反应、降低Cr2O3颗粒表面的熔点[9],从而减少了涂层内孔洞的数量和尺寸,提高了涂层的致密性和耐蚀性。同样,Al2O3涂层中加入TiO2也能降低孔隙率,提高耐蚀性[10]。

陶瓷涂层中夹杂物会降低涂层的化学稳定性。当腐蚀介质与夹杂物相遇时,两者中的离子会发生化学反应而溶解,由于体积膨胀而造成局部区域应力增大,进一步加速涂层内裂纹的形成和扩展,陶瓷涂层的多孔隙使得腐蚀介质渗入涂层内部,增加了涂层的化学腐蚀几率[11]。

不同的喷涂方法也影响着陶瓷涂层的耐蚀性,喷涂陶瓷涂层的孔隙越少、涂层越致密、缺陷和杂质越少,涂层越耐蚀[12]。通常,等离子喷涂的陶瓷涂层比高速火焰喷涂的陶瓷涂层耐蚀性好[10],爆炸喷涂的陶瓷涂层抗磨损腐蚀性能高于等离子喷涂涂层[13]。

陶瓷涂层在腐蚀介质环境中工作时,因其酸碱性、内部非平衡相、夹杂物、残余应力及孔隙率的存在会发生缓慢的化学腐蚀[12]。如以α-Al2O3相为主的陶瓷粉末,等离子喷涂时部分α-Al2O3相转变为γ-Al2O3相,涂层由稳定的α-Al2O3相和非稳定的γ-Al2O3相组成[11]。其中,稳定相α-Al2O3既不溶于水也不溶于酸和碱;非稳定的γ-Al2O3虽不溶于水,却能溶于酸和碱。在HCl和NaOH介质中,γ-Al2O3相与酸和碱接触时可能发生下列反应[14]:

反应会破坏陶瓷涂层的结构使A12 03涂层腐蚀失效。对于氧化物陶瓷涂层,氧化物碱性越强,越不耐酸性溶液腐蚀,在酸性水溶液中腐蚀速率CaO>MgO>Al2O3>ZrO2;同样在碱性水溶液中,含有酸性氧化物的SiO2和B2O3或两性氧化物的Al2O3最容易溶解[15]。

2 几种陶瓷涂层对不同金属基体耐蚀性的改善

在金属表面涂覆陶瓷涂层可以提高金属基体的耐蚀性。以Al2O3,TiO2和ZnO为骨料,钠水玻璃为粘接剂,在纯铜表面用热化学反应法制备陶瓷涂层,耐酸碱盐性分别比纯铜基体提高了3.9,12.3和6.3倍,抗盐雾腐蚀性比基体提高了5.0倍[16]。在Q235钢表面采用热化学反应法制备Al2O3基陶瓷涂层后提高了Q235钢在酸、碱、盐3种腐蚀介质中的抗腐蚀能力[17]:其耐酸性比基体提高了4.81倍,耐碱性提高了1.99倍,耐盐性提高了5.03倍。在Q235钢表面等离子喷涂Al2O3陶瓷涂层并经封闭处理,与未经封闭处理的喷涂Al2O3涂层、Q235钢、1Cr18Ni9Ti钢置于沸腾的5%HCl溶液(pH=1)中,其腐蚀速率大小次序为Q235钢、1Cr18Ni9Ti钢>Q235钢喷涂Al2O3涂层>封闭处理的Al2O3涂层,Q235钢等离子喷涂Al2O3涂层未经封闭处理的腐蚀速率仅为1Cr18Ni9Ti钢的1/30,经封闭处理的Al2O3涂层的腐蚀率仅为未经封闭处理的1/10[18]。采用溶胶-凝胶浸渍提拉法在不锈钢、纯铜及铝合金基体上制备SiO2,TiO2和Al2O3陶瓷涂层,改变了基体材料的极化行为:钝化区变宽、维钝电流减小、点蚀电位提高,从而大幅度提高了基体材料的耐蚀性能,而且耐蚀性好的金属基体(如不锈钢)提高的幅度大于耐蚀性差的金属基体(如纯铜铝合金),在H2SO4溶液中涂层提高基体耐蚀性幅度的排序为SiO2>>TiO2>Al2O3[19]。研究表明[20],镁合金微弧氧化陶瓷涂层的腐蚀速率仅为镁合金的1/400。

3 热喷涂陶瓷涂层后处理

采用纯度较高的喷涂材料,严控喷涂工艺,可以降低陶瓷涂层内部的非平衡相、夹杂物和残余应力,从而提高防腐蚀性能。但是,喷涂的陶瓷层是由熔融或半熔融的变形粒子堆叠于金属表面而形成的,其中,粒子与粒子间会形成很多的孔隙[21],成为腐蚀介质渗透到陶瓷涂层内部的通道。腐蚀介质通过这种通道进入基体表面,与基体金属发生腐蚀反应,导致以下后果:(1)腐蚀反应持续向纵深和沿基体金属/涂层界面发展;(2)生成的腐蚀产物发生体积膨胀,如钢铁体积是同等原子量Fe的1.9～7.0倍(取决于钢铁受氧化程度及环境含氧量),所产生的应力导致陶瓷涂层开裂、脱落等,加速了对基体的腐蚀破坏[22]。为此,喷涂后采用渗透性好且对环境具有化学稳定性的物质对涂层进行封孔处理,可进一步改善涂层的屏障效用[23]。

用于金属表面热喷涂陶瓷涂层的封孔处理方法很多,常用的封孔处理方法见表1[24]。

以碱金属硅酸盐做基料、纳米粉及云母为材料制成的陶瓷涂层耐酸蚀封孔剂能显著降低涂层的孔隙率,大幅提高涂层的耐酸性能,显著改善涂层的耐高温腐蚀性能[25]。

采用激光熔覆法对喷涂ZrO2涂层进行封孔处理,可使ZrO2晶体发生晶格畸变,由不稳定相转变为稳定相,涂层防腐蚀性能显著提高[26,27,28]。用连续波CO2激光器对等离子喷涂ZrO2涂层进行重熔,并在重熔过程中添加Al2O3粉,形成Al2O3-ZrO2复合涂层,涂层更加致密,耐磨性、耐腐蚀性显著提高[29]。然而,加热扩散封孔方法在熔液凝固的过程中会重新形成一些缩孔,影响基体的性能,且成本较高。

用有机物或无机物封孔,由于受孔隙内的空气阻力作用,只能达到涂层表面下一定的距离,对涂层深层内孔隙的封闭效果不好,且有机物耐高温性能不理想。用电镀铜技术封闭陶瓷涂层的孔隙能克服以上封孔方法的不足,因为铜镀层较好地填充了陶瓷涂层里的孔隙及裂缝[30],电镀、刷镀时聚集在涂层表面的金属离子在电场作用下,通过涂层内的贯穿性孔洞进入涂层,与基材构成回路,发生还原反应,沉积于孔洞内,从而达到封孔效果,使基体的防腐蚀性能得到改善[31]。

4 陶瓷涂层与硬铬镀层对基体的防腐蚀性能比较

金属表面电镀硬铬沉积效率低、速度慢,镀层与基体的结合也不理想,还有环境污染问题,作为代铬技术的热喷涂陶瓷涂层则没有以上问题:等离子喷涂和超音速火焰喷涂(HVOF)的WC-Co,WC-Co-Cr和Cr2O3等陶瓷涂层的耐盐雾腐蚀性能明显优于电镀硬铬[32];金属表面喷涂WC-10Co4 Cr,Cr3C2-NiCr或WC-12Co涂层后,耐盐雾腐蚀性能均好于金属表面电镀硬铬层[33];HVOF喷涂的WC-Co-Cr涂层经750 h盐雾试验后,没有腐蚀,耐蚀性优于电镀硬铬层;WC-Co涂层经18个月的大气腐蚀试验几乎没有变化[34]。

5 展望

尽管金属涂覆陶瓷涂层后具有优异的耐蚀性,但还存在很多问题:陶瓷涂层对金属基体防腐蚀性能研究的环境比较单一;腐蚀机理研究还不够深入;缺乏实际应用中的腐蚀研究;缺乏陶瓷涂层制备工艺参数对陶瓷涂层孔隙率、缺陷及防腐性能的影响的研究;缺乏各种粘结层对陶瓷涂层的防腐蚀性能影响的研究等。鉴于此,未来亟待研究的重点如下:

(1)金属陶瓷涂层不同环境条件下的腐蚀数据库的研究与建立;

(2)在实际应用时陶瓷涂层往往伴随着磨损腐蚀,其结构和孔隙率会发生变化,对防腐蚀性能有很大的影响,因而应研究与验证各种实际应用中的腐蚀情况,以此再指导实际应用;

(3)陶瓷涂层在各种环境中的腐蚀失效机制研究,建立腐蚀模型;

(4)粘结层对陶瓷涂层的防腐蚀性能影响研究,合理选择粘结层以改善防腐蚀性能;

(5)寻找新的或改进已有封孔工艺。

摘要：金属基体涂覆陶瓷涂层后具有优异的耐腐蚀性能。从陶瓷涂层的耐蚀性、对金属基体耐蚀性的改善和提高热喷涂陶瓷涂层防腐蚀性能的后处理方法如封孔方法等方面概述了陶瓷涂层对金属基体的防腐蚀性能研究现状,在与电镀硬铬防腐蚀性能比较的基础上,指出了目前研究中存在的问题,并对未来的研究进行展望。

热喷涂层 篇3

钢铁冷轧线镀铬辊的表面硬度通常为600 HV300 N左右, 辊道的耐磨性较差, 使用一定时间后辊面粗糙度会明显下降。同时由于冷轧线工艺辊直接或间接地与钢板接触, 且许多暴露于大气环境中, 因此, 工艺辊涂层必须能够耐磨损、耐腐蚀、粗糙度保持不变、防打滑、抗黏铁、抗黏锌。采用超音速火焰喷涂 (HOVF) 制备的碳化钨 (WC) 金属陶瓷涂层可以满足以上要求, 从而可用于替代常用的镀硬铬技术。该替代工艺已在国外得到广泛研究应用[1]。

当前, 宝钢大多数工艺辊道如张紧辊、活套辊、纠偏辊、转向辊等, 已逐步开始以喷涂WC金属陶瓷代替镀铬进行修复, 并具有一定的效果。本工作介绍了部分成果的应用状况。

1 涂层制备及性能检测

1.1 粉末与基体材料

2种碳化钨 (WC) 金属陶瓷粉未由Praxair/TAFA公司提供, 粉末粒径15～45 μm, 成分见表1。

%

基体材料为Q345A, 进行耐磨损性能对比时截取试样尺寸为40 mm×60 mm×20 mm (厚度) ;进行摩擦系数对比时尺寸为ϕ100 mm×300 mm。

1.2 涂层制备

采用JP8000HP/HVOF高速火焰热喷涂系统制备涂层。热喷涂参数见表2。

2种粉末涂层耐磨损试样:回转速度38 r/min, 枪移动速度6 mm/r, 单道涂层厚度0.03～0.04 mm, 涂层厚度0.12 mm。

摩擦系数对比试样:采用试验粉末2, 回转速度114 r/min, 枪移动速度6 mm/r, 单道WC - 619涂层厚度0.03～0.04 mm, 涂层总厚度0.2 mm。

1.3 涂层性能

按JIS H8605进行摩擦试验, 用涂/镀层失重表示, 摩擦条件:采用320 SiC砂纸, 载荷32.5 N。

冷轧工艺辊的传动, 在未发生打滑的情况下, 原则上钢板与辊面之间应该是静摩擦, 但静摩擦系数很难通过工况模拟来获得, 故通过测定涂/镀层与钢板间的滑动摩擦系数来表征涂/镀层的防滑性。

钢板与辊面摩擦系数试验装置见图1。涂/镀层的滚轮以一定的转速转动, 通过调整带钢不同的夹角θ测得两侧带钢的张力P1和P2, 再根据带钢张力与摩擦系数计算公式 (1) 来计算出摩擦系数μ:

P1/P2=eμθ (1)

2 涂层性能

2.1 摩擦学性能

WC金属陶瓷喷涂层与硬铬镀层的磨损失重情况见图2。由图2可知, WC金属陶瓷涂层相比硬铬镀层具有更优越的耐磨损性能。

表面粗糙度相同 (3.2 μm) 的涂/镀层的摩擦系数测量与计算结果见表3。从表3中可以看出, 在表面粗糙度相同的情况下, 喷涂层具有较大的摩擦系数。因此, 喷涂层在保持带钢张力和防止带钢打滑方面比硬铬镀层具有更大的优势。

2.2 物理化学性能

表4为3种涂/镀层的物理化学性能。从表4可以看出, WC金属陶瓷涂层的耐磨损性能是硬铬镀层的4～5倍, 并具有优良的耐腐蚀性能。显然, WC金属陶瓷是替代镀硬铬的良好的热喷涂材料。通常WC - Co使用于较干燥环境, 而 WC - CrNi使用于潮湿环境。

2.3 实际应用状况

某冷轧机组活套辊面镀硬铬, 使用初期因镀铬表面的尖锋导致钢板表面产生“亮点”、“擦伤”等影响产品质量的缺陷, 辊面还经常黏附锌渣, 较硬的锌渣在带钢不断的压力作用下, 压溃辊面, 使得辊面形成凹坑, 并导致带钢表面出现划伤, 其使用寿命不到1年。而“堆焊+喷涂”套辊可以使用2年多, 具体情况见表5。

活套辊表面HVOF (WC) 金属陶瓷涂层的微观结构见图3, 硬铬镀层的微观结构见图4[3], 图中微裂纹是电镀的残余应力释放后产生的。

从图3、图4可以看出:WC硬相粒子的分布相当均匀, 使涂层具有相当好的耐磨损能力, 而硬铬镀层在应力释放状态下, 微观结构存在细裂纹, 这也可能是镀铬层耐磨损能力较差的原因之一。

辊面初始粗糙度为Ra 3.60 μm, 在分别使用3个月后和6个月后其平均值分别为3.14, 2.95 μm (见图5) 。由图5可以看出, 镀硬铬辊通常在使用3个月后就会出现打滑现象, 相比较而言, 喷涂WC涂层的活套辊在粗糙度保持方面有着极大的优越性, 确保了辊子能长时间地工作。经喷涂后打磨的活套辊, 由于其表面已经不存在喷涂硬粒子, 因此, 在使用初期, 钢板上未出现影响产品质量的亮点和因锌渣压入而导致的带钢缺陷, 目前该辊仍在运行, 估计其使用寿命应在2.5年以上。

表6列出了WC金属陶瓷涂层在冷轧工艺辊上的其他主要应用。

在实际应用中, WC涂层还存在许多不足, 需要对涂层及其制备工艺作进一步改进。如涂层表面是经打磨处理而获得的, 其表面微观结构依然有棱角和凹陷, 对退火的低硬度冷轧板会容易因此黏结铁粉而使钢板表面产生印痕等缺陷。

3 结 语

HVOF喷涂WC金属陶瓷涂层可有效替代镀硬铬层广泛应用于冷轧工艺辊, 使辊子寿命大大提高。以喷代镀技术将会为热喷涂技术在钢铁行业的应用开辟广阔的前景。

在实际应用中, 以喷代镀技术依然存在着许多不足, 需要作进一步改进, 如为了改善WC金属陶瓷涂层表面的微观性质, 目前正在开发WC - Co/Ni - P高级复合涂层, 该涂层是采用HVOF制得WC - Co涂层后再化学镀Ni - P, 以使复合涂层微观表面形貌球化, 从而大大降低辊面对于低硬度冷轧板的损坏。该技术目前已经进入产品上机试验阶段。

参考文献

热喷涂层 篇4

根据渗透性的不同, 隔层分为3种:气密层、隔汽层、阻水层。

阻水层渗透性最高, 可防止液态水进入, 而允许蒸汽和空气通过。一般用作阻水层的材料是防潮纸、油毛毡、硬质泡沫板, 用于护墙板和其他渗透饰面的后面。

隔汽层是用来控制但不是完全阻止水分子进入墙体。渗透的程度用ng/ (m2·s) 表示。阻水层必须允许300 ng/ (m2·s) 蒸汽通过墙体, 而隔汽层允许水分通过的最大值仅为60 ng/ (m2·s) 。

另一方面, 气密层则力求完全阻止气体进出建筑物外围结构。美国气密层协会认为, 一个功能完善的气密层系统不仅能阻止漏气而且能阻止因风、气压差、机械设备压力等引起的空气扰动。

美国气密层协会解释称, 当经调节 (致冷或致热) 的空气泄漏到建筑外, 而未调节的空气进入建筑内时, 就需要消耗能量对进入的空气进行调节。因此, 漏气可能会导致暖气费增加30%～40%和冷气费增加10%～15%。气密层还能阻止污染物进入建筑物或维护结构内, 如悬浮颗粒、灰尘、昆虫、臭味等。

气密层是一个相对来说较新的建筑组成部分。大多数施工人员和承包商们缺乏进行合格施工的专业训练。

因为气密层通常也充当隔汽层, 因此, 确保气密层的施工质量的责任常常落在防水承包商的身上。

趋势

现在, 因法规的要求, 气密层越来越普及。其主要推动者之一就是《国际节能规范》。有些州的能源法规, 如麻萨诸塞州、威斯康星州、密歇根州、路易斯安那州、新泽西州、俄亥俄州和佛蒙特州都要求使用气密层。早在1990年, 加拿大就要求使用气密层。某些联邦机构和大的开发集团也要求使用气密层。此外, 因为气密层能降低能耗, 绿色建筑行业组织也正在推广使用气密层, 使之成为强制措施。

规范和标准在气密层的使用上发挥着重要作用。从健康和环保的角度出发, 气密层使得建筑能更为高效地发挥功能。如今, 美国已开始广泛接受这一做法, 并且将朝着气密层作为所有商业建筑的标准做法的目标已经跨出了一大步。

特点

气密层有三大特性:连续性、强度和密封性。

连续性:整个建筑外围结构和所有穿透部位 (诸如门、窗、墙体接缝) 的气密层必须连续, 不可间断。喷涂施工的气密层比其他方法施工的气密层要好, 因为这种气密层最大程度减少了接缝数量。实际上, 在系统隔气性能方面, 接缝、裂缝和穿透部位的连续性功能要比系统中大部分固体材料-重要得多。

强度:气密层必须设计成能将风荷载转移到结构系统上。喷涂在结构外层材料上的膜要比柔性的、非粘结的卷材系统更容易符合这一要求。

不透气性:当然, 气密层必须不透气。正如上文所述, 接缝和穿透部位是主要的薄弱环节。因此, IECC和AHRAE的规范对于整个建筑测试的要求比对单个材料的测试要求松得多。

气密层材料允许的最大气密性是0.004 ft3/ (min·ft2) , 而气密层系统可能具有10倍于此的透气性。而整个建筑系统的透气性可能是原来材料的100倍。

理论上, 任何一个墙体组成如胶合板、干墙体、外覆盖板等, 如果细部处理得当的话, 都可用作气密层, 但是喷涂气密层具有很多优势。

正如Polyguard公司的气密层系统技术负责人特德·泽克解释的那样, 大多数PolyWall产品都是单组分的, 不需要混合和不存在性能不一致的问题, 熟练的技工每天可施工929 m2。

另外, PolyWall产品能够在-28～43℃之间施工, 减少了进度的延误和因天气原因造成的施工问题。

效果

或是因为不熟悉这个材料, 或是因为液态施工的气密层看起来很薄, 使得建筑师和承包商对于这种材料有所顾虑。但是即便是非常薄的气密层, 也能很出色地发挥其作用。

PolyWall产品能与沥青基涂料一样, 通过ASTM气密层测试, 而膜厚只有沥青涂层的1/5。

甚至更薄的, 约0.125 mm厚的气密层, 就已经显现出极好的节能效果。根据NIST实验室研究, 气密层系统在非居住建筑中, 能够降低漏气高达83%, 削减煤气费用超过40%, 降低电能消耗达25%。

虽然NIST的这项研究结果没有在别的实验室重复过, 但其他现场试验的结果仍然极具说服力。

最近, BASF开发的Senershield-R液态施工气密层产品, 在布利斯基地的24个建筑物上应用, 并对漏气性能进行了测试。

该项目始于2009年8月, 包括建设24个士兵营房, 这些营房要达到美国陆军工程师团对气密层的新要求。每栋建筑物围护结构的面积是6 625 m2, 共两层, 外墙由包在木框上的胶合板组成。Senershield-R气密层材料涂敷在外墙上, 所有的连接处和开口处都仔细做了泛水。

施工分包商对这个产品很熟悉, 但工程浩大复杂, 工期紧, 要求每月完成超过2栋以上的建筑。Senershield-R气密层施工是关键的一步。由于每一幢建筑都要进行加压测试, 因而不能有任何意外、错误或者延误发生。

虽然施工公司在其他一些项目中用过Senershield-R, 但他们根据项目布置和现场条件选择了滚涂法施工。在现在制作了展示所有重要细部的实体模型, 材料生产商、业主、总承包商和施工人员对项目进行了审查。

到2010年4月, 第一幢建筑进行了气密性试验, 接下来的6个月中, 24幢建筑全部进行了测试。所有的建筑都通过了第一轮测试, 并且远远超出标准规定的要求。

根据将在2012年国际节能法规中采用的ASHRAE189.1标准, 商业建筑允许的最大建筑漏气量为0.40 ft3/ (min·ft2) 。美国陆军工程师团的标准更严, 为0.25ft3/ (min·ft2) 。布利斯基地24座营房的实测平均值仅为0.07 ft3/ (min·ft2) 。

负责测试的公司负责人称:“24个建筑物的测试结果有力地说明, 同样施工、同样材料及在设计、施工阶段对细部同样重视的其他建筑物也能达到相似的结果。”

2010年7月采用对整体建筑物加压和热成像的方法, 精确测定量了漏气状况。

USACE标准的最低要求是0.25 ft3/ (min·ft2) , 而用了气密膜材料的该建筑物墙体初始试验时达到了0.18 ft3/ (min·ft2) , 最终试验时达到了0.11 ft3/ (min·ft2) 。

方案

当然, 本文中所提及的产品并不是市面上仅有的液态涂刷型气密层产品。至少有45种不同产品达到了高性能气密层的最低性能要求。

比如Henry公司, 生产有一系列的防霉喷涂气密层产品。Airbloc 30-MR系列产品加入了灭虫剂, 使得固化后的膜可以阻止霉菌生长。

防霉的关键是控制水分, 正确选择气密层, 减少漏气和雨水侵入, 有助于控制建筑维护结构中的湿气。另外, Air-block MR气密层加入抗菌剂有助于减少产品表面霉菌的快速增长。

Polyguard公司也提供了一种叫作ProBan的防霉剂, 可添加到任何一种气密层产品中。

NISB建议选择气密层时必须满足以下要求:

1) 必须有一个相对较短的固化时间———少于24 h, 如果可能, 最好能确认膜的整体性和粘结效果。

2) 如果是水基产品, 冬季使用时应防冻。

3) 产品在固化后应不溶于水。

4) 在城区或在既有建筑附近施工时, 应该避免或谨慎使用喷涂型的产品。

5) 产品在施工后, 应便于检查。

6) 产品应能够填补宽度达6.35 mm缝隙。事实上, 并不是所有的液态型的气密材料都能达到这个要求的。

施工是关键

Thompson&Lichtner公司的高级建筑师、建筑围护结构委员会委员查理·凯莱赫2010年5月组织了一场“气密层的挑战赛”, 有9支队伍参加。每个参赛队要制作一个2.43 m×2.43 m的建筑外围结构实物模型。经透气和渗水检验, 结果让人有些惊讶, 膜的厚度对整个系统的性能影响甚小。

凯莱赫说:“使用这种材料施工是关键。这个比赛表明, 许多人以为他们知道如何施工, 其实不然。有些参赛者遇到了难题, 在膜交叉的地方出现裂痕和一些小的间隙, 因此, 工人操作水平十分关键。”

热喷涂层 篇5

关键词：超音速火焰喷涂,等离子喷涂,热障涂层,铜基体,粘结层,结合强度

0 前 言

通过热障涂层(TBC)技术在基体表面涂覆高温隔热防护涂层,可以降低基体工作温度,提高基体抗高温腐的蚀能力,延长部件的使用寿命[1,2,3]。为此,对热障涂层的陶瓷隔热材料、粘结层材料、涂层结构、制备工艺和涂层失效机理等进行了广泛而深入的研究[4,5]。ZrO2陶瓷涂层由于具有较高的热膨胀系数和很低的热导率,同时具有抗高温氧化和抗冲击能力,已成为热障涂层的首选材料。在各种制备表面涂层的技术中,热喷涂,特别是等离子喷涂(APS),由于其焰流温度高,特别适合喷涂陶瓷等高熔点材料,且涂层成分和厚度易于控制,对工件尺寸和形状限制小,功效高,已经成为表面工程领域制备热障涂层的一种重要技术方法。超音速火焰喷涂(HVOF)的主要特点是高动能和相对较低的温度,最终可以获得具有高结合强度、高密度、高硬度和低氧化物含量的高质量涂层[6]。热障涂层的结合强度是热障涂层性能评价的重要指标。铜基体与热障涂层的结合强度较低,一直是限制其在高炉风口等应用的重要因素。为了提高铜基设备与热障涂层的结合强度,本工作分别采用超声速火焰喷涂和等离子喷涂制备金属粘结层,采用等离子喷涂制备热障涂层,分析测试了不同粘结层喷涂方法对涂层结合强度的影响,为提高铜基体与热障涂层的结合强度提供依据。

1 试 验

1.1 材 料

TBC通常由金属底层(粘结层)和陶瓷面层组成。金属底层的主要作用是将陶瓷面层牢固地粘结在基体金属上,陶瓷面层起隔热和抗腐蚀等作用。

基体材料 以提高高炉风口寿命为目的,采用紫铜基体材料,尺寸为ϕ25 mm×6 mm。

喷涂材料 热障涂层材料包括金属粘结层NiCrAlY和陶瓷面层ZrO2 - 8%Y2O3。金属粘结层NiCrAlY的化学成分见表1。用于等离子喷涂的NiCrAlY粉末粒度分布为63～106 μm,用于超音速火焰喷涂的NiCrAlY粉末粒度小于45 μm。陶瓷面层ZrO2 - 8%Y2O3粉末为常规微米级陶瓷粉末,其粒度为45～100 μm。

1.2 试样制备

首先用丙酮清洗基体试样,然后用24号刚玉砂进行吹砂预处理,再用丙酮清洗,晾干。

分别用APS - 2000A型等离子喷涂机和DJ - 2700型超音速火焰喷涂机喷涂金属粘结层,涂层厚度为0.15 mm;用APS - 2000A型等离子喷涂机喷涂陶瓷面层,涂层厚度为0.35 mm。超音速火焰喷涂工艺参数见表2,等离子喷涂工艺参数见表3。

1.3 测试方法

根据热喷涂涂层结合强度试验方法(HB 5476-91),用环氧树脂胶把制备好的热障涂层试样粘到已喷砂粗化的对偶拉伸棒上(见图1),80 ℃保温4～5 h,待胶完全固化后,在TY - 8000微控式材料试验机上进行拉伸试验。拉伸速度:2 mm/min,标距:6.0 mm,温度:20 ℃,湿度:30%。

2 结果与分析

2.1 结合强度

2种不同粘结层对应的热障涂层的结合强度试验数据见表4。由表4可见,与等离子制备粘结层相比,用HVOF制备粘结层可明显提高涂层的结合强度,约提高54%。其原因是HVOF的高动能使熔滴具有更高的飞行速度、撞击基材表面后变形充分,增加了涂层与基体之间的物理结合作用。

2.2 断口形态

通过试样的断口特征可以看出,拉伸断裂位置均位于涂层与基体的结合界面处,涂层与基体发生了机械分离。这说明NiCrAlY底层与铜基体以机械结合为主,其结合界面是整个涂层 - 基体体系中最薄弱之处。涂层的结合强度包括涂层与基体的结合强度,涂层颗粒之间的黏聚结合强度以及片层之间的结合强度。试样断裂发生在涂层与基体的界面处,个别基体上粘有少量陶瓷,表明涂层本身的结合强度大于涂层与基体的结合强度。

图2为热障涂层的截面结构形貌。从图2中可以看出热障涂层由3层构成,从左至右依次为陶瓷层、粘结层和基体。图3为拉伸试样断口,断口平行于涂层,断裂为脆性断裂。对断口进行成分分析见图4。从图4看出,断面上的主要成分为Cu,Cr,Al,可以确定断裂面为粘结底层与基体间的界面。

3 结 论

(1)与等离子喷涂粘结层相比,采用HVOF喷涂粘结层可有效提高铜基体上ZrO2热障涂层的结合强度,比等离子喷涂约提高54%。

(2)热障涂层的结合以机械结合为主,粘结层与基体铜的结合界面是整个涂层 - 基体体系中最薄弱之处。

参考文献

[1]Goward G W.Progress in coatings for gas turbine airfoils[J].Surface and Coatings Technology,1998,108~109(1):73~79.

[2]周洪,李飞,何博,等.热障涂层材料研究进展[J].材料导报,2006,20(10):40~43.

[3]史国栋,陈贵清,梁军,等.热障涂层热导率的研究进展[J].材料导报,2006,20(10):44~47.

[4]Zhou H,Li F,He B,et al.Air plasma sprayed thermal barri-er coatings on titanium alloy substrates[J].Surface andCoatings Technology,2007,201:7 360~7 367.

[5]柯培玲,武颖娜,王启民,等.爆炸喷涂空心球形氧化锆热障涂层的抗热冲击性能[J].金属学报,2004,40(11):1 179~1 182.

热喷涂层 篇6

宿迁至新沂高速公路SX-23施工标段起点桩号为K39+700,终点桩号为K67+674,路线全长为27.974 km。为双向四车道高速公路,设计速度为120km/h,路基全宽28.0 m。为达到桥面防水和加强层面粘结作用,宿新高速公路(徐州段)SX-23标段采用热喷SBS改性沥青同时撤布碎石桥面防水粘结层。

2 桥面防水层重要性

随着我国高速公路事业快速发展,高速公路设计标准和施工技术水平也得到显著提高,然而各种病害的防治也日益引起建造者的重视,其中如何提高桥面耐久性一直是桥梁建设者追求的目标。根据江苏省高速公路建设情况,桥面水泥混凝土铺装层与沥青混凝土路面的施工,基本上是由不同的施工承包商进行分别施工的,相对应的施工技术要求因不同责任主体而分离衔接不到位,从而造成质量控制出现了脱节现象。桥面水泥混凝土铺装完成后,由于大量施工载重车辆反复碾压,桥面或多或少出现裂纹或裂缝。水泥混凝土桥面存在裂缝,对桥梁结构安全是有很大影响的。雨水会从桥面开裂处渗下,腐蚀钢筋,造成钢筋有效受力面积的减小,并且由于锈蚀部分产生体积膨胀,进而加速了裂缝的开展,最终造成桥梁面层破坏。为了保证水泥混凝土桥面和沥青混凝土铺装层粘接成一个整体,设置专门防水粘结层是必须的。防水层在路面结构层和桥面板间设置了一道防止湿气的渗透的屏障。通过碾压,将桥面铺装层与桥面板粘结成一个整体,使铺装层与桥面板共同受力,同时发挥作用,改善桥面板与铺装层的受力情况,可以共同防止钢筋腐蚀,由于粘结成一个整体,避免铺装层发生早期损害尤其是剪切破坏,进而影响路面结构。

3 热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层技术特点

(1)热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层能够有效的防止水分渗透混凝土桥面板,防止主梁和桥面板的钢筋被锈蚀,同时能够吸收沥青混凝土铺装层与桥面板之间的应力,防止沥青混凝土铺装层的剪切推移变形。

(2)热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层作为一个过渡功能层将两种模量差别较大的沥青混凝土铺装层与桥面板粘结成一个整体,改善桥面板与铺装层的受力情况,充分发挥铺装层与桥面板的复合作用。

(3)当桥面板在温度变化或行车荷载作用下发生水平向变形时,防水粘结层可以吸收铺装层和桥面板之间水平剪应力和弯拉应力。

(4)热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层具有良好的耐久性。

(5)热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层作为桥面防水层施工快捷、方便、自动化程度高。

4 施工步骤

4.1 桥面调平层抛丸处理

为增加桥面构造深度,提高桥面防水层粘接效果,防水粘结层施工前必须对桥面进行抛丸处理。

(1)抛丸作业。

抛丸前应对桥面进行清扫,对于无法清扫处,可用清水进行冲洗,待桥面全部晾干后,再进行施工,防止杂物在施工过程中污染磨料砂丸;对桥面的平整度进行检测,彻底消除突起物,以免影响抛丸设备出现漏砂等现象。

抛丸作业前施工人员穿戴干净的工作服、手套、工作帽;作业时两台抛丸同向机并行直线连续抛丸,喷砂1~2遍,两台机作业宽度重叠1~5 cm,并使搭接的部位不出现高低差。抛丸机共分十个挡位,每个挡位代表每分钟行走速度,挡位越高,抛丸深度越浅。开机时先从最高挡调试,4挡起步,抛丸机运行过程中根据桥面的平整度、水泥浮浆层的厚度及硬度随时调整速度。抛丸去除深度1~3mm,露骨率≥20%,由于界面的不均匀,当一遍达不到20%的露骨率时进行二次抛丸,直至满足技术要求。对抛丸机工作面达不到的边角等部位,采用手推式打磨机补充处置。

抛丸处置后的表面粗糙度和清洁度应该满足有关规范要求。抛丸处置后尽快组织进行防水粘结层的施工,减少二次污染。对抛丸处置后桥面暴露出来的裂缝、孔洞等缺陷,需进行修补。对于桥面铺装出现严重龟裂的,应进行返工处理。

(2)抛丸时采用图1所示行走路线进行施工。

(3)真空抛丸质量控制及验收要求见表1。

4.2 桥面调平层的清扫

桥面防水粘结层施工前清除桥面调平层真空抛丸处理留下的杂质,先人工用竹扫帚将桥面调平层表面进行全面清扫;再用森林灭火鼓风机将桥面调平层混凝土纹理中的杂质吹干净;最后用高压水冲洗,彻底清除桥面调平层表面杂质,使桥面调平层混凝土纹理洁净、无杂质,以利于SBS改性沥青与桥面调平层的粘接。待桥面干燥后、在洒布工作开始前报监理工程师验收,检测合格后方可洒布。

4.3 热喷SBS改性沥青

(1)洒布前提前用宽幅塑料薄膜对桥梁护轮带、路基边坡拦水带、外侧护栏进行,以避免污染。

(2)沥青洒布前应保持桥面干燥、洁净,雨天、空气温度和桥面温度低于10℃时或风速过大可能影响洒布效果时均不进行SBS改性沥青的喷洒施工。

(3)沥青洒布前对洒布设备进行认真检查,确保洒布设备工作正常,洒布量满足设计要求,并做到洒布均匀、不留死角。

(4)采用智能型沥青洒布车进行SBS改性沥青喷洒,喷洒量为1.0~1.2 kg/m2,沥青洒布温度≥170℃,洒布宽度根据洒布车有效作业距离确定。沿桥梁纵向匀速喷洒SBS改性沥青,改性沥青喷洒做到均匀、无露白、无油团堆积,满铺桥面,以确保在桥面上形成一个完整的不渗水的沥青防水膜层。

洒布过程中保持洒布车匀速行驶以确保洒布均匀,避免漏洒或局部洒布过量,对于局部漏洒或未洒到部位,应进行人工补涂SBS改性沥青以达到要求的厚度。

(5)起步和终止位置铺设工程纸,工程纸长度不小于20 cm;起步时,只有当洒布量认为达到设计要求时方可驶离工程纸进行正常洒布,洒布车经过后应及时取走工程纸;终止时,工程纸铺设在非桥面部位,以免对非桥面部分造成二次污染。

(6)纵向接缝与已洒布部分重叠5 cm左右,确保重叠处沥青膜厚度满足设计要求。

4.4 撒布集料

(1)采用0.2~0.3%(按照集料重量计)的道路石油沥青对玄武岩碎石进行预裹覆,裹覆时集料温度控制在120℃,预裹覆后的集料需要对方时用篷布进行覆盖,且堆放时间不超过两周。

(2)洒布沥青的同时,同步撒布一层经道路石油沥青预拌的4.75~9.5 mm单一粒径、洁净的玄武岩碎石,碎石的撒布面积占桥面面积的80%左右,碎石用量在6~7 kg/m2,碎石的撒布不重叠、不满铺,以现场看可露出底层沥青,车辆或行人行走不粘带,以不接触为标准。先洒布靠近中央分隔带的一个车道,由内向外,一个车道接着一个车道宽喷洒。同步碎石封层车若有遗漏处,用人工补洒。

(3)在桥面两端用彩条布将起点和终点边界铺垫整齐,以便同步碎石封层车起步和停洒时不正常状态下喷洒出的沥青及集料落在预先铺垫好的彩条布上,保持整个现场的清洁。

4.5 碾压

碾压应在撒布后立即进行,每洒布一段集料后,立即使用YL-25胶轮压路机碾压3遍,使之形成致密结构。每次碾压时轮胎重叠1/3轮宽,从桥面边缘至中分带依次碾压,使石子嵌于热沥青中又不致压碎石子。碾压速度初始时以不大于2 km/h为宜,以后可适当增大速度。碾压终了后,对表面松散的集料进行清扫。

4.6 养生

为避免污染,热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层施工完毕后,不得开放交通,宜尽早施工沥青混凝土铺装层。

5 结语

热喷SBS改性沥青桥面防水粘结层能有效的提高防水层的高温抗剪强度,改善防水层的低温抗裂性与延缓反射裂缝的上升能力,改善桥面板与铺装层的受力情况,提高桥梁耐久性,近年来已广泛运用于我省高速公路建设中。

参考文献

[1]陈伟乐,钱晓东,等.高速公路节约集约限地设计研究[J].交通节能与环保,2009,12(4):38-41.

[2]陈静.热再生技术在公路养护中的应用[J].交通节能与环保,2011,3(1):17-18.

热喷涂层 篇7

镁合金微弧氧化膜一般由致密层和疏松层组成。致密层在膜层的内部,与基体结合紧密,而疏松层则在其外,表面存在孔隙,因此,腐蚀介质可以透过膜层导致基体发生腐蚀。采用微弧氧化技术提高镁合金的耐蚀性能时相对于基体可提高1~2个数量级。对镁合金微弧氧化层进行封闭(封孔)以进一步提高其耐蚀性已成为当前研究的方向[1,2],目前方法有多种,已取得一定的成效[3,4,5]。但是,采用纳米陶瓷涂料封孔的研究目前未见报道。因此,本工作先对镁合金微弧氧化,再采用空气喷涂纳米陶瓷涂料进行封孔制备复合膜层,以期进一步提高其耐盐雾腐蚀性能。

1 试 验

1.1 基材处理

基材为变形AZ31B镁合金,主要成分(质量分数):3.190%Al,0.334%Mn,0.810%Zn,0.005%Fe,0.020%Si,0.010%Be,0.005%Cu,余量Mg。AZ31B镁合金性能:抗拉强度300 MPa,屈服强度220 MPa,伸长率18%。对其分别用240~1 000号砂纸打磨,并进行去油污处理;在反应区上方用胶带裹住缠紧,留出前端的反应区,胶带尽可能裹得整齐严密,稍宽稍厚一些,以保持反应过程中阳极表面电流密度的恒定,避免电解液的蒸发和爬升而引起反应区上方试样的反应,反应区尺寸为25 mm×20 mm×1 mm。

1.2 膜层的制备

1.2.1 复合膜层

先通过微弧氧化直流脉冲电源(HG-1)在恒流模式下反应10 min。电解液配方:6 g/L Na2SiO3,2 g/L NaF,2 g/L NaOH,化学药品均为分析纯。电源参数:电流密度3 A/dm2,频率300 Hz,占空比45%,反应时间10 min。反应结束后,将微弧氧化试样冲洗吹干。喷涂工艺参数:双组分水性纳米陶瓷涂料(EC5032)喷涂量为3~5 g/s,压缩空气压力为0.3~0.5 MPa,喷嘴口径1 mm,喷嘴与微弧氧化陶瓷膜的距离10~15 cm,喷枪平行移动速度为10~20 cm/s,在鼓风干燥箱中90 ℃干燥10 min,在马弗炉中300 ℃固化20 min,得到复合膜层。

1.2.2 单膜层性能

为了便于对比几种不同的膜层(见表1)。采用的涂料有2种,一种是清漆,另一种是清漆中添加银色填料。

1.3 盐雾腐蚀

利用KD-60精密型盐水喷雾试验机做盐雾腐蚀试验:5%NaCl中性溶液,箱内温度35 ℃;以试样双面中腐蚀最严重的一面为判定依据,出现黑点或腐蚀点大于3处为试验结束依据。

1.4 性能测试与表征

采用Cannon130数码相机考察膜层盐雾腐蚀后的表面形貌。采用JSM-6480型扫描电子显微镜对微弧氧化膜层和复合膜层表面及截面SEM形貌进行表征。采用TTR-Ⅲ型X射线衍射仪[ XRD,铜靶,Kα射线(波长0.154 18 nm)]研究膜层晶相的组成。

2 结果与讨论

2.1 盐雾腐蚀

图1是不同膜层盐雾腐蚀的表面形貌。从图1a可以看出,表面直接喷涂涂料后,盐雾试验24 h,表面出现大面积的腐蚀坑,涂料层被腐蚀剥落。由图1b可知,微弧氧化试样经24 h盐雾试验后表面出现大量的黑点,有的地方已经露出基体。图1c显示,喷砂后直接涂银色涂料的试样表面腐蚀也很严重,但稍好于图1a。图1d显示,微弧氧化陶瓷膜层经过清漆封孔后盐雾试验72 h后才出现较多的黑点。图1e显示,微弧氧化陶瓷膜层经银色涂料封孔后盐雾试验144 h表面仅出现一个黑点,其他地方还保持完好无损。由上可知,试样的耐腐蚀性能为e>d>b>c>a。结果表明:复合膜比单层膜的耐腐蚀性能有较大的提高,涂料中加入银色填料的复合膜层表面具有银白色外观,其耐腐蚀性最佳;微弧氧化的耐腐蚀性能要好于纳米陶瓷涂料单层膜。

盐雾试验试样表面出现黑点为典型的点腐蚀特征,这是因为腐蚀介质中Cl-等透过膜层接触到基体,局部形成了微电池,发生了点腐蚀[6,7,8]。复合膜耐蚀性强是因为微弧氧化膜层表面多孔结构在其表面涂覆防腐蚀涂料,一方面涂料可以在陶瓷膜层表面形成均匀、致密的涂层,封住陶瓷膜层的孔;另一方面微弧氧化膜多孔结构的存在增大了涂料与陶瓷膜的接触面积,保证了涂料与陶瓷膜层之间的结合力,充分发挥了微弧氧化膜和涂料涂层的协同作用,提高了镁合金的耐腐蚀性能。直接在镁合金基体表面涂覆涂料,由于基体表面不均匀,涂料和基体相互作用力较差,造成部分区域涂料与基体结合不够牢固,经腐蚀介质腐蚀后,涂料开始剥落,进而加快整个腐蚀速度。

2.2 微弧氧化膜层和复合膜层的形貌及组构

2.2.1 SEM形貌

图2为2种膜层表面的SEM形貌。由图2a可见,膜层表面高低不平,有大量孔洞,有些孔径达10 μm, 并且有熔融物在表面堆积;而图2b中,陶瓷膜层被均匀、致密的涂料层全部覆盖,表面没有孔结构。

图3为复合膜层截面的SEM形貌。由图3可以看出,微弧氧化膜层大约厚35 μm,涂料层大约厚15 μm左右,涂料浸入到微弧氧化膜的微孔内,陶瓷膜层与涂料结合牢固。

2.2.2 膜层组构

图4为2种膜层的XRD谱。由图4可见,复合陶瓷膜层主要由MgO和Mg2SiO4两相组成;复合膜层中仍有较强的Mg2SiO4和MgO的衍射峰,并且没有其他杂峰以及非晶相峰,说明涂料在300 ℃固化时没有结晶,或者是生成的新晶相量很少;基体Mg的衍射峰也有出现。以上结果表明,涂料层的存在,使得膜层中晶相物质的衍射峰强度和基体衍射峰强度明显降低。

3 结 论

(1)盐雾腐蚀试验表明,5种AZ31B镁合金试样的耐腐蚀性能大小为陶瓷膜+银色涂料>陶瓷膜+清漆>陶瓷膜>镁基体+银色涂料>镁基体+清漆。纳米涂料在300 ℃固化时没有结晶,膜层晶相物质为Mg2SiO4和MgO。

(2)AZ31B镁合金陶瓷膜/纳米涂料复合膜层中因涂料浸入微弧氧化膜的微孔,堵住了孔洞,封闭了腐蚀性介质进入的通道,且陶瓷膜层与涂料层结合牢固,从而提高了镁合金的耐腐蚀性。

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