粉末喷涂（精选4篇）
粉末喷涂 篇1
摘要：本文中科院腐蚀与防护研究所开发的超强熔融结合环氧 (SEBF) 粉末涂料是一种用于钢铁重防腐的单组分、不含溶剂、熔融结合成膜的热固型粉末涂料, 其抗化学腐蚀性、粘结强度、抗水性、抗阴极剥离性和柔韧性与国内同类粉末相比均居首位。对SEBF粉末涂层和国内同类涂层的性能进行了比较, 介绍了SEBF粉末的特点、喷涂工艺以及应用状况。
关键词：SEBF粉末,性能,工艺,应用
高性能熔融结合环氧粉末涂料涂装技术早在六十年代国外已开发成功, 并开始用于管道及设备和其它物件的涂装, 至今已有四十多年的历史。由于制粉技术和设备的改进, 尤其是其性能价格比体现了较大的优越性, 在八十年代初有较高速的发展, 据美国3M公司公布的资料介绍, 该公司已累计涂装64500公里的管道, 并取得显著的效益。九二年国际防腐权威杂志评价, 该涂装方法与其它涂层 (环氧煤沥青、煤焦油沥青、聚乙烯等) 相比是应用效果最好, 是用户优先选择有发展前途的涂装方法。又因粉末涂料是以空气为介质, 不含有机溶剂, 随着国家对涂料中挥发性有机化合物 (VOC, Volatile Organic Compounds) 含量的控制, 粉末涂装技术必将越来越受到人们的重视。
1 SEBF粉末涂料的特点和性能
1.1 SEBF粉末涂料的特点
⑴化学性能稳定, 耐酸、碱、盐及污水腐蚀。
⑵耐磨擦性能好, 比铸铁耐磨性高五倍。
⑶耐冲击强度高, 受12J冲击无脱层、裂纹及损伤。
⑷附着力强, 将φ30mm两圆柱用该涂料粘合, 可承受5吨以上拉力。
⑸涂层厚度可按设计要求在0.03~3mm之间调整。
⑹使用寿命可达30年。
注:○-优;×-差
⑺长期使用温度可达80℃。
⑻涂层无毒、无害、无污染, 符合环保要求。
1.2 SEBF涂层理化性能
SEBF涂层理化性能指标见表1和表2。
2 SEBF粉末热喷涂原理及工艺
2.1 喷涂原理
SEBF粉末是热固性环氧粉末涂料, 因此涂装时要经历两个过程:一是要求粉末能熔融结合到工件表面上, 该过程靠工件先预热, 使粉末喷射到工件表面时, 粉末能熔化结合在工件表面上;二是粉末熔融在工件表面后, 要求涂层内发生树脂的固化反应, 这靠被涂工件再次加热到规定的固化温度, 在这个温度下, 环氧树脂内的高分子发生交联固化过程形成网络结构, 使涂层达到要求的性能。
2.2 喷涂工艺
2.2.1 工件表面预处理
这是涂装成败的关键因素之一, 如果工件待喷涂表面带有水分、油脂、污垢或灰尘, 粉末涂料与基体表面之间就会有一层隔膜, 不能很好的互相嵌合, 如果表面光滑, 粉末只是虚浮地沉积, 就会随着涂层的逐渐增厚而脱落, 所以为保证涂层与工件的结合强度, 要求工件表面必须无油、无水、无锈、无污且具有一定的光洁度、粗糙度和活化度。本工艺采用喷砂法进行处理, 喷砂后用净化风吹净基体表面附着的砂粒灰尘, 清洁度达Sa2.5级, 粗糙度达80~100μm。
工件表面经喷砂处理后, 由于停留时间过长或其它原因致使基体表面明显变质时, 应重新进行喷砂处理;工件表面经喷砂处理后, 应尽快入加热炉加热, 其间隔时间越短越好, 一般不超过4小时。
2.2.2 工件预热
预热温度为230℃~270℃, 预热时间为20~30min。
2.2.3 粉末喷涂
工件预热出炉后, 法兰端面采用静电枪, 管内表面采用摩擦枪喷涂SEBF粉末, 按照喷粉参数确定喷枪来回行走次数, 喷涂时环境大气温度要高于5℃。喷涂设备示意图见图1
2.2.4 涂层固化
粉末喷完后, 工件再次入炉固化。粉末被吸附在管壁后, 要有充分的熔解、流平和固化过程, 固化温度越高, 涂层成膜的时间就越短, 为了使涂层均匀、完整、无针孔, 固化温度是关键参数。如果固化温度太高, 会浪费能源, 固化温度太低, 涂层的流平性和耐热性就会差。因此, 固化温度必须进行可靠的操作和控制, 固化温度为250℃±10℃, 固化时间20min。
3 应用情况
自1995年以来, SEBF粉末喷涂管在大庆地区酸、碱、盐管线和输水输油管线的防腐上得到了广泛的应用, 已累计涂装管线215公里, 管件10000多件。2011年8月我们分别对2005至2010年之间投用的化工厂设备及脱盐水管线、热电厂硫酸管线、水汽厂化工污水管线、喇嘛甸化工厂盐酸管线进行拆管检查, 发现经过五年的使用, 管内涂层表面略有粗糙, 但涂层无脱层、裂纹、变色、溶解等现象, 使用效果非常好。
结语
SEBF粉末涂料的使用情况表明了它优良的防腐及物理力学性能, 随着化工设备及管道建设工程输送介质的多样化, 它必将得到更广泛的应用。
同溶剂型防腐涂料相比, 粉末涂料不含有机溶剂, 消除了溶剂的损耗, 同时减少了对环境的污染, 也减少了对人体的毒害, 而且也不会发生有机溶剂燃爆危险。
一定要注意喷涂前的清理和吹扫工作, 喷涂参数、加热炉温度及入炉时间的控制是重要的。
参考文献
[1]虞兆年.防腐蚀涂料和涂装[M].化学工业出版社, 1998.
[2]李国莱等.重防腐涂料[M].北京化学工业出版社, 2000.
粉末喷涂 篇2
1 静电粉末喷涂作业事故原因
1.1 可燃物质粉末
在静电粉末喷涂作业的过程中, 由粉末喷涂引发的燃烧和爆炸是最为严重的事故, 通常情况下, 造成这种事故的原因主要包括: (1) 具有可燃性的粉末涂料, 在喷涂作业的过程中, 这类物质往往具有燃烧、爆炸的可能; (2) 喷涂器电极与工件在喷涂作业的过程中, 两者之间的距离不合理, 进而在一定程度上容易发生放电打火现象; (3) 在喷粉舱内, 其粉末与空气发生混合, 如果粉末与空气的混合浓度难以降低, 并且难以将其控制在允许的浓度范围内, 当该浓度接近爆炸浓度时, 在这种情况下, 与粉末最小点火能量相比, 如果静电打火能量比较大, 那么就会容易发生爆炸。
1.2 电气故障
在进行静电喷涂作业时, 发生较多的事故主要是电气故障, 通常情况下, 这些故障主要集中在喷室、喷枪装置。受静电高压的影响, 喷涂装置在一定程度上容易发生电击, 因电气线路短路, 通常情况下容易引发各种故障等;由于电加热炉中的电热元件受老化的影响, 以及电器接地混乱、误接等都会在不同程度上对人员构成威胁;对于移动设备来说, 其电源线发生磨损, 出现漏电, 进一步引发事故等。
1.3 机械事故
在静电喷涂作业的过程中, 同样容易发生静电粉末喷涂机械性事故, 对于这类事故同样需要给予高度重视, 特别是湿法前处理工艺中涉及到的脱脂、除锈、磷化、水洗等。工件或悬链、吊钩部件等都会在不同程度上对设备的安全性构成威胁, 甚至会发生燃爆事故。
1.4 喷涂工艺
通常情况下, 多种因素都会在不同程度上引发静电粉末喷涂事故: (1) 工艺方面, 例如工序是否合理, 工序之间的参数、设备衔接等是否科学合理;动力系统控制装置的连锁设计是否合理等。 (2) 操作管理, 对于操作管理通常情况下主要是综合考虑劳动保护措施的完善性;安全操作程序、标准的执行水准;安全技术检查的有效性等。
2 事故注意事项
2.1 涂装车间总体布局
通常情况下, 在厂区常年最小频率风向的上风侧布置涂装作业场所, 并且在一定程度上合理控制与厂前区、人流密集处、洁净度要求高的厂房之间的距离, 通常情况下, 按照独立厂房的方式进行设置, 按照GB50016-2006《建筑设计防火规范》的相关规定设置消防通道, 畅通的出入口确保在2个以上。对于超大型厂房来说, 其内部的涂装操作工位与出入口、安全门之间的紧急撤离距离控制在25m。当采用封闭喷漆工艺进行涂装作业, 在封闭喷漆空间内保持适当的负压, 并且设置可燃气体浓度报警系统或自动抑爆系统, 在整个涂装车间, 喷漆工段防火分区占面积控制在20%, 在这种情况下, 其防火要求按照生产的火灾危险性分类中的丁、戊类进行确定。
2.2 操作人员安全管理
对于应急救灾设施、消防设施和报警装置等设备系统, 操作人员必须要熟悉, 同时能够熟练操作。在上岗前, 需要对作业人员进行教育和培训, 进一步帮助作业人员了解设备的安全性能, 使其自觉遵守作业规程。对于个人劳动防护知识, 通过教育和培训, 进而在一定程度上要求作业者必须做到熟悉和遵守, 在对粉尘进行清理的过程中, 需要采取相应的吸尘举措。
2.3 涂装设备安全
按照国家通用的安全要求和涂装作业安全规程的专业安全要求等, 对涂装设备进行设计。对于涂装设备器械来说, 通常情况下, 需要具有以下资料:安全说明等使用说明书, 以及名称、主要参数等产品铭牌。
对于喷涂设备等移动电气设备, 通常情况下需要借助防尘罩实施保护, 采用支架撑托对其电源电缆进行处理, 同时为了防止绝缘保护层发生磨损, 以及接插端口发生松脱等, 在一定程度上需要采取相应的措施。结合防爆防尘的具体要求, 对粉末涂装作业区所使用的照明设备, 以及开关等进行处理, 并且对其进行定期的测试, 同时对动力源、供粉系统, 以及相应的通风机之间的电气连锁系统等进行详细的检查与核实, 确保其工作的稳定性与安全性。
通过设置专门的厂房或划定具有产生燃烧可能的空间进行涂装作业, 通常情况下该作业区属于危险的区域, 在这一区域按照要求禁止一切明火, 同时对这一区域采取相应的防火措施, 进一步防止外来火种的进入。按照耐火等级, 以及厂房的防爆、安全疏散的要求, 对涂装工程进行设计。为了确保该区域的安全性, 需要根据防火、防爆要求确定合理的建筑结构, 同时选择科学、合理的构件和材料等;对于疏散门的宽度, 通常情况下最小规定为0.8m, 并且在一定程度上朝向疏散方向, 对于疏散走道来说, 通常情况下其净宽最小控制在1.4m, 疏散设施需要有相应的照明装置以及安全疏散等标志。对于涂装作业场所来说, 需要进行正确分区布置工艺路线, 采取必要的隔断、隔离设施, 并注意防火间距和防火分割等, 进而在一定程度上有利于实现安全、卫生、消防、节能、环保等设计要求。
对于与喷粉舱连通的回收净化装置来说, 需要设有快速泄压口, 并且该快速泄压口面向室外空间, 进而在一定程度上防止发生燃爆事故。将网格栅或磁力分离装置安装在喷粉舱内高风速的吸尘管道入口处, 防止管道内进入金属或硬质物件, 进而产生摩擦、碰撞等。在喷粉舱内部, 需要设置清粉机构, 该清粉机构最好能够连续清粉, 进而在一定程度上确保舱内不会出现沉积粉。用于吸粉的回收风管、弯头等处, 通常情况下要求风速足够大, 进一步确保管内不会出现粉末堆积, 防止发生二次爆炸。如果在喷粉舱内, 需要使用相应的火焰探测器, 在这种情况下需要将阻断阀门设置在喷粉舱与回收装置之间。
2.4 电气安全
对于涂装作业场来说, 为了确保电气的安全性, 在防爆方面需要满足相应的要求, 也就是在防爆方面, 对电机、电器、照明等设施提出更高的要求, 并且严禁出现临时乱接电线的现象。除此以外, 对于应接地的没有予以接地, 在这种情况下容易形成绝缘状态, 进而在一定程度上导致静电涂装发生事故。对于涂装间内的导电性物体来说, 需要施加高电压, 或者对其进行接地处理。
3 接地方式的安全对策
在静电喷涂作业的过程中, 为了确保安全性, 对于作业员来说, 通常情况下需要穿戴具有导电性的鞋, 并且将鞋底清扫干净, 确保其绝缘性;对于涂装间内的导电性物体在一定程度上确保其确实接地;固定溶剂槽, 同时予以接地;对于作业员来说, 如果需要使用静电手提喷漆枪, 在这种情况下需要对喷漆枪进行赤手操作;充分细致的清扫吊挂被涂物的吊架, 并且保证被涂物确实接地;涂装间的地面通常情况下需要保持在导电状态。对于涂装机或涂料槽来说, 如果带电, 在这种情况下需要进行充分换气, 然后再进行接地处理。
在进行使用、操作时, 需要注意以下内容:涂装完成后, 需要关闭相应的高电压, 在进行洗净操作之前, 需要对有关高电压情况进行再次确认。在喷涂作业的过程中, 如果使用的涂料具有导电性, 在这种情况下需要向涂料槽补内充涂料, 同时对涂料槽进行接地处理。在清洗绝缘材料的过程中, 如果使用的是溶剂, 在这种情况下需要对溶剂的干燥性进行确认, 然后再施加高电压;对于涂装机上的涂料尘污等进行定期的清扫;在一定程度上防止发生污染;对于松弛或脱落的高电压电缆或涂料皮管要确实转紧;在高电压设备上设置联锁装置, 进而在一定程度上防止放电。
对于涂装机系统, 通常情况下需要对其进行安全控制, 其控制点为:设置必要的联锁装置;为了确保顺序动作者动作的准确性, 通常情况下不能对顺序动作者规定顺序以外的操作;使用较长吊架的过程中, 采取相应的措施, 进而在一定程度上减轻输送机与吊架之间的接触。
另外, 对于高大厂房来说, 需要设置精密电气设备、控制系统等防雷设施。电磁波辐射性设备、设施、工具等禁止进入火灾、爆炸危险区域。在爆炸危险场所内, 当难以区分防静电接地与防雷接地时, 按照防雷接地电阻值选取接地阻值。
摘要：静电喷涂凭借自身的优势, 在喷涂作业中得到广泛的应用, 但是需要预防喷涂事故。为此, 本文对静电粉末喷涂作业事故原因进行分析, 提出相应的注意事项, 进而为静电喷涂作业提供参考依据。
关键词：喷涂作业,静电粉末,事故
参考文献
[1]肖艳.静电粉末涂装事故预防[J].劳动保护, 2009 (02) .
[2]刘道春.涂料涂装中的常见事故及安全预防[J].现代涂料与涂装, 2009 (09) .
粉末喷涂 篇3
我国在环氧粉末方面起步较晚, 80年代末引进这种技术, 90年代开始对涂料配方、涂装工艺和设备性能进行全面配套研究和开发[1]。在胜利油田、大庆油田、新疆石油管理局、江苏油田等国内各油田经过实际应用证明, 环氧粉末内防腐真正解决了油管内腐蚀问题, 是油管防腐的有效方法。
静电喷涂环氧粉末油管在国内各油田的应用仍然存在一些问题, 影响其应用的原因有很多, 其中, 因涂层附着力不稳定造成起皮脱落是一个方面, 本文谈了几点看法, 以达到对环氧粉末涂层附着力提高认识, 推进应用的目的。
1 钢管静电内喷涂环氧粉末的生产工艺
环氧粉末静电喷涂的原理为:利用高压静电场, 将被涂敷钢管接地作为正极, 粉末流经喷枪时, 在放电作用下带有负电荷 (或粉末与喷枪摩擦的过程中带上负电荷) , 油管经中频感应线圈加热, 同时压缩空气将粉末送到喷枪喷出, 在静电场力和压缩气体的作用下, 带有负电荷的粉末飞至经加热的钢管内表面, 随即成为熔融状态, 经过胶化、流平、固化三个过程后固化成膜。
静电喷涂环氧粉末的生产工艺为:裸管质量检验—预热除湿—表面除锈清理—除锈质量检验—管内清扫—中频加热—粉末静电喷涂—固化—冷却—防腐管质量检验。其中, 表面除锈一般采用喷砂或抛丸处理。
2 静电喷涂环氧粉末附着力影响因素
所谓附着力, 就是涂膜与被涂覆件表面结合的牢靠程度。涂层对被涂物的保护在很大程度上受涂层与基材之间附着力的影响, 而附着力的大小与涂料本身性能、基材的表面状态有关[2]。
2.1 涂料本身的性能对附着力的影响
粉末涂料由环氧树脂、填料、流平剂、固化剂、偶联剂、附着力促进剂等几部分组成。
熔融环氧粉末涂层的关键是采用优质的粉末涂料, 分子量大的树脂其熔融粘度较大, 对基材表面的润湿性能不好, 影响附着力, 因此可以采用较低分子量的树脂来增加涂层附着力。低分子量树脂的另一个优点是比高分子量树脂分子更容易熔融浸入微小的缝隙, 增加接触面积。另外, 粉末的粒度对涂膜的附着力也有着不可忽视的影响, 与低分子量树脂的情况有些类似, 粒度小的粉末更容易进入到被涂覆表面的微小坑洞中, 使涂膜与被涂表面有更大的接触面积, 从而增加附着力。
在粉末中加入一些助剂也可以提高涂层的附着力, 例如有文献指出[3]:在环氧树脂中引入氟化钠, 可以改变分子间力和金属晶格, 在金属表面形成微小蜂窝状结构, 便于涂膜嵌入其中, 增强涂膜附着力。
2.2 表面除锈清理对附着力的影响
清理表面的目的是为了使被涂覆表面达到一定的清洁度和粗糙度要求。经清理后, 涂覆表面呈现出凹凸不平的微观形态, 增加了涂层与金属表面的接触面积, 使涂层具有良好的附着力。
一般采用的清理方法是进行喷砂或抛丸, 喷砂或抛丸所选用的磨料对表面清洁度和表面粗糙度的影响是决定性的。目前采用的磨料分为金属磨料和非金属磨料, 如白口铸铁丸、钢砂、钢丝段、陶瓷丸、棕刚玉等。对磨料的硬度要求可根据工件的表面状态而定, 一般来说硬度值应高于钢材表面硬度HRC5~HRC30[4]。
表面粗糙度有两个主要的指标, 即大小和形状。为保证较强的附着力, 粗糙度的大小一般应达到涂层厚度的30%-40%。其形状主要有三种:球形、不规则锯齿状和心跳形粗糙度。球形粗糙度表面最为理想, 涂层涂敷后附着均匀, 与涂层接触面积大, 附着力最好, 涂料容易进入锚纹坑的底部, 不易产生气泡, 效果最好。这种粗糙度表面一般用丸类磨料得到, 但是因为丸类磨料无刮削能力, 靠冲击除锈, 效率很低。锯齿形粗糙度一般用各种棱角形磨料得到, 这种磨料喷砂的效率高, 但要注意的是涂敷后锚纹谷底可能会产生气泡, 造成涂敷后的漏点。心跳形粗糙度一般用钢丝切段得到, 这种粗糙度涂敷后附着力差, 且易产生气泡, 一般很少采用。
为防止造成二次污染, 磨料本身必须是清洁干燥的, 否则被清理的表面会受到磨料额外的污染, 容易导致涂层附着力降低[5]。
另外经过清理的表面最好使用干燥清洁的空气吹扫, 清除残留的磨料和工件被切削掉的微粒, 消除其对涂膜附着力的影响。
2.3 生产过程对粉末附着力的影响
待涂覆的基材表面必须保持清洁。如果被油脂类污染, 或者返锈, 性能好的涂料也不会得到附着力好的涂层, 因此, 喷砂除锈后, 因尽快喷涂, 并不能受到油污等的污染, 如不能用手指触摸喷砂后的表面, 不能用潮湿的或含油面纱擦拭。喷涂生产所使用的压缩空气也必须保证干燥、清洁、无油。
粉末的存放也很重要, 长时间存放或受热、受潮、受光照都会使粉末变质, 影响涂层附着力。
3 结语
环氧粉末涂层附着力的影响因素很多, 附着力是粉末涂料涂层质量的重要指标之一, 认识影响附着力的因素对于提高钢管内涂层质量很有意义, 本文在此整理了几点看法, 以期对油管内喷涂环氧粉末有所帮助。
参考文献
[1]黄兴.钢管的熔融结合环氧粉末涂装技术[J].涂料涂装与电镀, 2005, 3 (2) :10-13.
[2]周铭.涂膜附着机理与附着力促进剂的选择[J].现代涂料与涂装, 2007, 10 (8) :1-3
[3]颜杰, 夏秀茂, 唐楷等.高附着力环氧粉末涂料的研究[J].当代化工, 2006, 35 (4) :227-229
[4]刘如伟, 李胜利, 张来斌等.钢结构抛丸 (喷丸) 清理用金属磨料的对比分析[J].钢结构防护, 2004, 2 (19) :70-71, 5
粉末喷涂 篇4
弹性模量是衡量材料产生弹性变形难易程度的指标,是评价涂层力学性能的重要参数。涂层的弹性模量对于涂层内部残余应力状态、涂层抗冲蚀磨损性能、 结合界面处的应力场分布、涂层的剥离和断裂有着重要的影响。测试涂层弹性模量的方法主要有梁弯曲实验、拉伸实验、压痕法、表面波法和挠度法等[6,7,8,9]。其中Knoop压痕法由于使用设备简单、易于操作、压痕浅、压痕对角线长等特点,是最常用的方法之一。本工作采用Knoop压痕法对HVO-AF在不同状态条件下制备的涂层弹性模量进行测试,研究热喷涂过程中火焰温度和粉末粒度对WC-Co涂层弹性模量的影响。
1涂层制备
1.1制备方法
图1为超音速火焰喷涂系统示意图。
工作原理:采用氧气或压缩空气为助燃剂,煤油作燃料,控制系统将助燃剂(氧气,压缩空气,氧气与压缩空气的混合气)和煤油按照一定的压力和流量输送到喷枪,经过高性能雾化喷嘴雾化混合成液雾,然后喷入喷枪燃烧室,经火花塞点火后燃烧形成高温高压燃气, 再由拉伐尔喷嘴将其加速到超音速。喷涂粉末由送粉系统从拉伐尔喷嘴的低压区送入超音速射流中,射流将其加温 加速后从 喷枪喷出,喷到基体 表面形成 涂层[10,11]。该系统可以在三种状态下进行工作:HVOF为煤油与氧气燃 烧,产生高温 高速焰流 状态;HVOAF为煤油与氧气、空气的混合气体燃烧状态;HVAF为煤油与空气燃烧,产生低温低速焰流状态。HVOAF超音速火焰喷涂实现了在HVOF和HVAF状态之间连续转换,焰流温度在1400~2800℃大范围内连续调节。
1.2涂层材料与工艺
以45#钢为基体材料,采用WC-12Co纳米粉末 (Infromat公司提供),商用牌号为S7412,粉末晶粒度约为50~500nm,粉末粒度 为1~45μm(团聚处理 后)。为了分析粒度差异对弹性模量的影响,选用自贡硬质合金厂提供的微米级粉末进行一组对比实验。
采用HVOF-AF设备制备涂层,由气瓶中的氧气与氮气混合 形成高压 空气,分三种条 件制备涂 层: HVAF,氧气和大量氮气混合组成混合气与煤油燃烧; HVO-AF,氧气和少量氮气混合组成混合气与煤油燃烧;HVOF,氧气与煤油燃烧。WC-12Co涂层的喷涂制备工艺参数如表1所示,涂层厚度约为0.4mm。
1.3涂层测试
采用Knoop压痕法测 量涂层的 弹性模量;采用NEOPHOT-21型硬度计测量涂层的显微硬度;涂层显微组织结构分析采用VEGAⅡ 型扫描电镜(SEM) 进行;物相分析采用X’pert PRO型X衍射仪进行,扫描角度为15~100°。
2结果及分析
2.1涂层的弹性模量
用Knoop压痕法测量涂层弹性模量,取多次测量平均值,测量数据及涂层弹性模量计算结果如表2,3所示。
表2中得到的压痕深度为压痕长边的1/30[12],可见压痕深度明显小于涂层的厚度,因而可忽略基体材料对涂层弹性模量测试的影响。由表3可知,纳米结构WC-12Co涂层的弹性模量相比微米结构涂层有了很大程度的提高,而且HVO-AF状态下涂层的弹性模量最大,甚至达到300GPa以上,而45#钢基体的弹性模量为210GPa,可见喷涂WC-12Co纳米涂层很大程度上提升了材料抵抗变形的能力,优化了基体表面的力学性能。
2.2涂层的显微硬度
500g/15s下WC-12Co涂层的显微硬度测试结果如表4所示。
由表4可知,纳米结构WC-12Co涂层的显微硬度相比微米结构涂层高得多,由此也证明纳米结构WC12Co涂层的显 微硬度近 似符合多 晶材料的Hall Petch规律[13],即显微硬度随晶粒尺寸的减小而增加。 而且,HVO-AF状态下涂层的显微硬度最大,这与弹性模量的变化趋势相同,由此可以看出涂层的显微硬度与弹性模量呈现相似的变化规律[14]。
2.3粉末及涂层的组织结构
图2为WC-12Co粉末的SEM图。可知,纳米粉末原始晶粒尺 寸分布均 匀,而微米结 构的WC-12Co粉末形貌为多角状,WC晶粒尺寸的分散性较大,在经过团聚处理后,部分颗粒可达到40~50μm,但小的晶粒尺寸也可以达到亚微米级。
图2 WC-12Co粉末的SEM 图 (a)纳米粉末;(b)微米粉末 Fig.2 SEM images of WC-12Co powder (a)nano powder;(b)micro-powder
图3为四种喷 涂工艺参 数条件下 制备的涂 层SEM图。由图3(a),(b),(c)可知,三种涂层的显微组织差别很小,颜色较浅的粒子为WC颗粒,其弥散分布在Co基体上,涂层均匀 且致密,粒子之间 界面明显,在涂层形成过程中,由纳米颗粒造粒形成的微米级粒子高速撞击基体后,团聚的大颗粒分散开形成均匀的纳米结构涂层。对比图3(b),(d)可知,在相同工艺参数条件下,纳米结构涂层相比微米结构组织结构更为致密,孔隙率更低,涂层中的WC颗粒更为细小,分布更为均匀。
图4为四种喷 涂参数工 艺条件下 制备的WC12Co涂层截面SEM图。可知,制备的四种涂层都无明显的层状结构,孔隙率均较低,而且纳米涂层孔隙率较微米涂层更低。这是由于WC-12Co原始粉末特性有差异,导致喷涂过程中颗粒受热的温度不同,因而粉末到达基体时因加速速率的不同导致所具有的动能和热焓值不同[15,16]。实验中,纳米喷涂粒子在到达基体时相比微米粒子具有更高的热焓和动能,喷涂粒子熔融程度更高,对基体的撞击作用更强,且铺展性好,因而与基体发生很好的嵌合,使得颗粒与涂层,涂层与基体之间没有产生裂纹,结合紧密。
由涂层显微组织结构分析可知,纳米结构涂层相比微米结构涂层致密很多,这也从显微结构上解释了纳米结构涂层具有更高的弹性模量。
图3 WC-12Co涂层SEM 图 (a)HVOF喷涂纳米涂层;(b)HVO-AF喷涂纳米涂层;(c)HVAF喷涂纳米涂层;(d)HVO-AF喷涂微米涂层 Fig.3 SEM images of WC-12Co coatings (a)nano coating under HVOF;(b)nano coating under HVO-AF;(c)nano coating under HVAF;(d)micro-coating under HVO-AF
图4 WC-12Co涂层截面SEM 图 (a)HVOF喷涂纳米涂层;(b)HVO-AF喷涂纳米涂层;(c)HVAF喷涂纳米涂层;(d)HVO-AF喷涂微米涂层 Fig.4 SEM images of WC-12Co coatings section (a)nano coating under HVOF;(b)nano coating under HVO-AF;(c)nano coating under HVAF;(d)micro-coating under HVO-AF
2.4粉末及涂层的相结构
图5,6分别为WC-12Co纳米粉末及WC-12C涂层在四种喷涂工艺参数 条件下的X射线衍射图谱。 可知,WC-12Co粉末的XRD衍射图谱较为平整,WC的峰值很高,无其他杂质的峰值,表明实验所用WCCo粉末较为纯净,经能谱分析可得,Co的质量分数为12%。对比图6(a)~(d)可知,纳米涂层的衍射峰较杂,而微米涂层的衍射峰较为平整,说明在喷涂过程中微米涂层未发生明显的分解。由XRD分析可知,涂层中均含有微量的W2C和Co6W6C,纳米涂层中W2C相的衍射峰明显高于微米涂层,尤其是在HVOF条件下(图6(a))。说明在喷涂过程中,随着WC颗粒数量增加和尺寸减小,细小WC颗粒与焰流的接触面积增大,焰流温度更高,使得熔化更加充分,导致脱碳更加严重[17]。对比分析图6(a),(b),(c)三种涂层,其中都有少量的非晶相,峰值较弱处有较强的荧光现象,说明在涂层中有部分Co单质的存在。在HVOF状态下, 纳米WC-12Co粒子分解 较为严重,W2C相在涂层 中出现较 多 ,而在HVAF和HVO-AF状态下WC的分解很少,尤其是HVAF状态下,X射线衍射峰较为平整。表明焰流温度随着氮气量增加下降,在HVAF状态时焰流温度大约只有1500℃,使得WC的分解得到有效控制。
图6 WC-12Co涂层 XRD图谱 (a)HVOF喷涂纳米涂层;(b)HVO-AF喷涂纳米涂层;(c)HVAF喷涂纳米涂层;(d)HVO-AF喷涂微米涂层 Fig.6 XRD diffraction spectra of WC-12Co coating (a)nano coating under HVOF;(b)nano coating under HVO-AF;(c)nano coating under HVAF;(d)micro-coating under HVO-AF
由涂层相分析可知,在HVOF状态下WC分解较多,降低了涂层的硬度,使得弹性模量下降;而HVOAF和HVAF状态下相组 成差别很 小,但HVO-AF焰流温度比HVAF高,喷涂粒子在到达基体时具有更高的动能和热焓值,粉末颗粒熔融程度更高,对基体的撞击作用更强,使得颗粒与涂层之间结合更加紧密,而且WC分解较少,因而涂层的弹性模量更大,这就使三种纳米结构涂层弹性模量出现了差别。
3结论
(1)HVO-AF制备的WC-12Co纳米结构涂层,与基体结合良好,孔隙率低;纳米结构涂层相比微米结构涂层组织更加致密,涂层硬度和弹性模量显著提高,提升材料抵抗变形的能力。
(2)在HVO-AF状态下,焰流温度较高,WC分解较少,纳米WC-12Co涂层致密度最高,其弹性模量最大,可达到300GPa以上,结合涂层的显微组织和相结构分析可知,涂层的致密度越高,其弹性模量越大。