涂层工艺

2025-02-01

涂层工艺（共9篇）

涂层工艺篇1

摘要：我国天然气管道的建设已经进入了快速增长的时期, 成品油与原油管道也进入到了新发展时期。管道涂层防腐工艺为管道运行、维护以及建设等有关防腐工艺技术的应用发展提供了很好的机遇。管道涂层防腐工艺是管道建设安全生产的保障技术之一, 在票一定程度上, 涂层防腐工艺的质量直接关系着管道的使用寿命。因此, 了解油气管道涂层防腐工艺, 提升涂层防腐工艺是非常必要的。

关键词：管道,涂层,防腐工艺,使用寿命

引言

经济市场的快速发展使管道事业得到了快速发展, 全世界形成了很多全国性的输油管网。

但是, 管道的腐蚀作用会直接影响到管道的使用寿命。近几年, 我国出现了很多管道腐蚀的现象。因此, 该事件给油气田企业带来的巨大的经济损失, 同时还可能因为管道腐蚀的腐蚀引起火灾。尤其是油田企业管道腐蚀引起的保证, 严重的影响了人身的安全与自由。因此, 加强管道涂层的防腐技术是非常重要的。

一.管道涂层防腐工艺现状

管道涂层防腐技术在近几年的使用管道过程中还没有出现有渗漏的现象, 生产也比较正常。如果有一条内涂层的管道, 其使用寿命可能在一年半就无法继续使用。而使用内壁防腐涂层之后, 就会大大增加其使用寿命。其中油田的主要成分见下表。

我国管道涂层防腐工艺经历了煤焦油沥青、胶带、液体环氧涂料、石油沥青等发展过程。

目前, 我国管道涂层防腐工艺基本实现了标准化。新建的长输管道内涂层的长输管道涂层主要分为三聚氰, 乙烯以及少量的煤焦油等组成的。

二.管道涂层防腐工艺

1.FBE防腐层工艺

FBE防腐层工艺是制定的管道涂料, 正常使用的厚度是10密尔。我国从上世界90中期就开始广泛使用, 并且目前已经建立了油气内部集输管线采用的就是FBE防腐层。该防腐层质量应该符合管道涂层防腐工艺技术的要求。FBE防腐工艺技术具有使用温度范围宽、高附着力、耐冷热交变以及耐酸碱盐等特点。但是该防腐工艺技术也有其一定的缺点:在涂层防腐工艺中具有抗冲击强度不高, 水汽渗透率不高。而且该技术必须在工厂预制生产、成本比较高、能耗比较大。另外, 防腐工艺用作补扣材料的时候, 现场施工质量没有办法与管体相同, 因此非常容易发生塔接部位粘结失效, 漏点比较多等缺点。

2. 煤焦油涂层防腐工艺

煤焦油涂层防腐工艺是由高温煤焦油分流得到的重质馏分以及煤沥青组成的材料, 添加不活泼的矿物质使用塑化。煤焦油涂层防腐工艺的应用已经超过了10年, 并且在我国20世界初开始了管道建设上的主要应用。煤焦油涂层防腐工艺具有价格低、耐阴极性好、化学稳定性好以及抗植物根茎穿透性比较好等特点。但是其也有一定的缺点:煤焦油在使用过程中会发挥出一种气味难闻的气体, 对环境的污染也比较大。另外, 煤焦油涂层防腐工艺高温软化、低温发脆非常容易造成管道涂层损坏的面积计较大。

3. 无机非金属防腐工艺

就目前的情况进行份详细, 应用在管道防腐的涂层主要以有机涂层为主, 但是有机涂层的性质一直不断的改变, 因此根据不可能进行消除耐热抗寒或者老化变质等问题。这样, 就会严重导致油田管道的使用寿命受到一定的局限。因为, 使用非金属工艺技术、防腐材料等性能会比较好, 从而其管道的使用寿命也会大大提高的。使用无机非金属防腐涂层技术主要有是玻璃涂层、化学反应法等比较成熟的制备方法。我国在无机非金属防腐工艺的使用才刚刚起步, 只有开发无机非金属的防腐工艺技术, 才能通过一定的防腐工艺技术在管道外部开发出一种复合无机防腐涂层的工艺技术。另外, 玻璃材料还可以根据防腐性能的要求, 对金属的工艺特点以及膨胀进行配置, 同时可以应用给化工、天然气等管道的领域。无机非金属防腐工艺有很多的优点, 比如:使用比较安全、耐腐蚀性能优越、流动性好、生产工艺比较先进等, 并且无机非金属材料无毒、无伤害、无污染、造价比较低、用途也比较广泛。目前, 无机非金属涂层防腐的发展前景比较大, 我国已经将无机非金属的防腐涂层技术是目前应用比较广泛的防腐工艺技术。

4. 阴极保护涂层防腐工艺

阴极保护涂层的防腐工艺技术可以有效防止管道的腐蚀, 尤其是在金属表面的管道。但是应急保护涂层的防腐工艺耗电量比较大, 从而导致阴极保护防腐技术是不可行的。一旦涂层上有穿孔或者破损, 就会形成大阴极与小样机的腐蚀电池。并且该电池的作用, 会使管道局部腐蚀, 这样就严重的加快了有天安管道的内腐蚀速度。只有因为其管道的涂层使用, 就会大大减少了油田管道的金属暴露面积。这样就会使阴极保护金属裸露表面的管道保护的电流密度降低, 从而使油田管道的保护范围大大增加, 同时使阴极保护工艺技术具有了经济化。另外, 阴极保护技术应用在管道需要符合以下条件:1) 被保护的金属管道材料所在的介质中进行阴极保护, 这样就会严重的消耗大量的电能, 导致油田管道不能进行阴极保护防腐效果。2) 油田管道与电绝缘具有相互对应的特点, 因此被保护的油田管道连续性也是阴极防腐保护技术的有效条件之一。3) 管道的防腐工艺技术必须能够进行导电的效果。只有满足这些条件的时候, 才能建立电路, 从而进行阴极防腐工艺技术的保护。总之, 阴极保护涂层防腐工艺技术使整个管道涂层得到有效保护。

结语

经上述论证, 油田管道涂层的防腐工艺技术在油气安全运行中起到了关键性的作用。管道图层的防腐工艺技术在不断的发展, 同时在管道防腐材料的使用中也应该朝着环保、高效的方向发展。

另外, 目前管道的涂层的防腐工艺技术也存在一系列的问题, 因此, 对于油气田管道涂层的防腐技术来说, 补口是内防腐工艺技术的瓶颈。只有有效解决、完善管道涂层防腐工艺对于管道防腐涂层技术的提高有很大的推进作用。

涂层工艺篇2

2013年3月涂层分厂开始调试生产，在公司领导的支持和各部门的配合下在4月正式投产。随之实行区域安全管理责任制，坚持“安全生产，人人有责，预防为主，综合治理”的方针，加大对现场的监督管理，和对环境管理体系、职业健康安全管理体系的不断完善，逐步推进安全管理工作稳步向前。

一、一年工作回顾

1、成立安全生产领导小组；组长负责涂层分厂整体安全工作，副组长协调组织、落实安全检查、监督各项安全教育活动；各主管负责具体安全工作的落实，负责对员工进行安全教育，对各项设施设备进行安全检查，及时发现、排除安全隐患。

2、制定涂层分厂安全环保管理网图络和分厂义务消防管理网络图，明确涂机、分切、维修各级管理人员的责任。

3、分厂制定五一、十一、元旦、春节，节前安全大检查方案和每周内部大检查，针对重要危险源、机器设备、危化物品等进行逐一排查，并对安全隐患进行分析制定相应的防护措施。

4、制定不安全事故应急预案、消防事故应急预案、特种作业事故应急预案，针对预案内容制定演习方案上报安环部并按计划组织预案演习，检验预案可行性。

5、实行责任区域安全生产制，落实责任分区管理。

6、完善环境管理体系和职业健康安全管理体系的不足之处，重新对危险源和环境危害因素进行辨识修改，危险源增加55项、重要环境

因素增加11项。

7、规划现场物品定置，做到定责、定人、定点的3定原则。

8、建立劳保发放台账、消防器材台账、特种设备台账。

9、完成新员工三级安全教育培训34人次，保证了分厂安全生产的平稳运行。

10、本共发生不安全事件4起，工伤费用14800元比较2012年安全形势严峻。对不安全事件的处理坚持按照四不放过调查制度进行处理，对责任人严肃处理、重新制定防范措施组织员工认真学习。

二、不足之处

1、员工安全意识淡薄，班长安全管理不到位，安全员监督检查不到位。

2、现场管理不精细，现场5S时好时坏、重复发生的现象时有发生。

3、安全培训质量不高，不了解员工的安全培训需求。

4、现场安全方面，由于年轻的新员工较多，整体工作有干劲、有激情、有活力、表现欲望强烈，但是由于年轻员工安全工作经验不足，对安全隐患没有正确的认识。

三、工作改进方向

1、班组建设要坚持以人为本，以树立班组团队为核心，以强化班组管理为重点，以打造安全生产为主线，以实现创建优胜班组为目标。

2、培训员工树立安全生产责任意识实行区域责任制，要求员工把安全工作放在首位。实行安全管理三步走计划

（一）要我按全

（二）我要安全

（三）我会安全，形成安全工作天天讲、安全工作人人抓的良

好局面。

3、加强日常巡检的监督检查工作，对分厂的人员、设备、设施做到心中有数、及时消除隐患排除故障放置事故的发生。

4、严格要求班组交接班制度，奖罚分明，引导员工人人参与分厂的安全管理工作。

5、安全生产工作要以积极的心态，百分的努力，齐抓共管人人参与，共同把分厂的安全工作做到更好。

四、2014年安全目标计划

1、严格执行公司各项安全管理规定；

2、责任区域内安全生产事故为、火灾、爆炸事故、中毒以及职业病事故为0；

3、员工千人负伤率为0；

4、安全隐患整改率100%；

5、特种作业工种有效持证上岗率100%；

6、安全、消防设施完好率100%环保设施完好率100%；

涂层工艺篇3

在集装箱的生产过程中,除采用通常的油漆体系对箱体钢板进行防护外,紧固件、拉筋、绳环和锁杆等大部分钢制零件普遍采用电镀锌或热镀锌涂层进行防锈。实践证明,镀锌涂层(尤其是电镀锌涂层)的防锈性能不佳,不能满足客户要求,而且镀锌加工过程环境污染严重;因此,选用新型的防锈涂层替代镀锌涂层已成为集装箱防锈技术发展的新趋势。

作为新型且成熟的防锈技术,达克罗涂层广泛应用于汽车、机械和电子产品等领域。事实证明,达克罗涂层的防锈性能远高于各类镀锌涂层,采用达克罗涂层全面取代镀锌涂层,可延长集装箱的使用寿命。

1镀锌涂层在集装箱制造业中的应用现状

镀锌件是集装箱的重要组成部分,对集装箱的使用寿命具有重要影响。由表1可见,集装箱镀锌件数量众多,生产过程中对此类零件的需求很大,例如:每个20英尺标准集装箱需要M10螺栓42件,按年产能10万TEU计算,每年仅螺栓就需420万件。我国集装箱生产企业长期采用镀锌涂层对此类零件进行防锈处理,由此形成的镀锌产业也具备相当大的规模。

集装箱镀锌件的镀锌方式分为热镀锌和电镀锌2种。出于成本方面的考虑,集装箱紧固件大多采用电镀锌处理,镀锌涂层的厚度约为。由于集装箱的使用环境相对恶劣,如此薄的电镀锌涂层很难满足防锈要求,导致集装箱的日常维护费用增加。为延长集装箱镀锌件的防锈期,许多客户要求在电镀锌件(主要是螺栓头)的表面加涂富锌底漆,致使集装箱生产企业的成本上升。虽然热镀锌的防锈性能优于电镀锌,但热镀锌的成本较高,而且热镀锌过程中的高温处理可能导致紧固件的机械性能下降。此外,镀锌过程中产生的含酸、碱、锌等成分的污水及有毒气体对环境造成严重污染,使镀锌产业受到国家严格控制,发展前景黯淡。

2达克罗涂层替代镀锌涂层的可行性

2.1达克罗表面处理技术简介

达克罗表面处理技术是当今具有代表性的金属表面处理技术。达克罗工艺采用全过程闭路循环的涂覆方式,在达克罗膜层的形成过程中,只产生水蒸气,不产生含酸、碱、锌、铬等成分的污水和废气,对环境没有任何污染。达克罗技术已在工业发达国家得到广泛应用,逐步替代污染严重的电镀锌、热浸镀锌、热喷锌、机械镀锌、锌基合金镀层、氧化和磷化等多种传统表面处理工艺,从根本上减少环境污染。达克罗技术被引进国内后,得到国家的大力支持和推广。

2.2达克罗涂层的技术性能

与电镀锌和热镀锌涂层相比,达克罗涂层具备优越的防锈性能、抗氢脆性和耐候性。盐雾试验表明:未蚀化的镀锌涂层后彩虹色化膜被腐蚀1~,后蚀穿;达克罗涂层后才被腐蚀,耐腐蚀性比传统的金属表面处理技术提高10倍左右,盐雾试验可达以上,并且抗二氧化硫的技术指标较高,防锈性能更强。此外,达克罗技术不进行酸处理,不存在电镀渗氢问题,加上在高温下固化,没有氢脆现象,特别适用于对抗拉强度要求较高的零件的防腐蚀处理。

2.3达克罗涂层的经济效益

目前,达克罗涂层唯一的不足之处就是成本较高,大约比电镀锌涂层的成本高15%,但达克罗涂覆件的使用寿命比电镀锌件长3~5倍,可节约大量维修费和材料费。由于达克罗涂层具备镀锌涂层无可比拟的环保性能,偏爱环保产品的客户更乐意选用达克罗涂层,并愿意为此支付一定的额外费用,从而减轻集装箱生产企业的成本压力。此外,由于集装箱各类镀锌件(尤其是紧固件)的需求量很大,如果全部采用达克罗技术进行处理,势必形成规模效应,从而使生产成本大幅下降。

2.4达克罗涂层的社会效益

与镀锌涂层相比,达克罗涂层具备优越的环保性能,整个处理过程对环境几乎没有任何影响。作为世界主要的集装箱生产基地,目前我国集装箱年产量约300万TEU,集装箱零部件需求量巨大,如果在集装箱领域大力推广使用达克罗环保涂层,必将产生良好的社会效益。

3结束语

近年来,许多集装箱生产企业积极推广环保型集装箱,选用性能更好的涂层取代镀锌涂层必将成为集装箱领域新的发展趋势。建议集装箱生产企业联合集装箱零部件供应商深入研究达克罗涂层替代镀锌涂层的可行性,在为我国环保事业作贡献的同时,为客户创造更大的价值。

机加工艺中涂层新技术展示篇4

1.比厚更厚——Hyperlox Plus (6～8μm)刀片专用加厚涂层

有时候,更厚意味着更好。刀片集高效、经济于一身,它们为高效生产提供所需的理想性能。通过采用适当的涂层和涂层厚度可进一步加强刀片的性能,这一切都可以通过HYPERLOX PLUS来完成。

使用PVD (物理气相沉积)的溅射涂层技术有显著的优势:光滑、坚硬、坚韧。所以,无论是对于何种被加工材料还是对于大批量工件的可靠加工来说,涂层厚度的增加都成功地提高了刀片的加工效率和使用寿命。

增加沉积厚度的想法并不新颖,在其他涂层上,赛利涂层技术有限公司早已成功应用了多年。CVD (化学气相沉积)涂层总是可以做的比较厚,而赛利的PVD涂层技术现在也已经没有标准厚度了。通过赛利涂层的溅射涂层技术,可以沉积厚度达12μm的PVD涂层,并且有非常良好的涂层结合力,测试表明:涂层厚度的增加可以进一步成功提升刀具性能。

但是,达到12μm厚度的涂层究竟有什么特别呢?一般的PVD涂层厚度大约在4μm以下,通过进行的系列试验表明,6～8μm厚度的涂层在机加工流程中保护基体方面优势显著。同样,在某些场合下,双倍的涂层厚度甚至可以带给用户刀具使用寿命翻倍的惊喜。

2.刀具刃口钝化处理

刃口的钝化处理对刀具加工效率的影响不容小视,刀具经过合适的刃口处理,以确保涂层最佳的涂层附着性能。刀具刃口的预处理在其中扮演着特殊角色:它是评价整个刀具设计是否成功的基本因素之一。比如:涂层厚度要达到6～8μm,那么,要求刀具刃口的钝化值至少为20μm;如果涂层厚度要达到12μm,那么要求刀具刃口钝化值达40μm以上,并且对刃口钝化质量提出更高的要求。

3.难加工工件的终极解决方案:HYPERLOX PLUS——超厚的超级氮化物涂层

拥有极度光滑表面性能的HYPERLOX PLUS涂层特别适用于要求较高的机加工,最新一代的超级氮化物专门用于刀片加工,涂层中的高铝成分使得加工更有效率,可用于湿切或干削。

为保证高硬度和高抗氧化性而采用的含铝复合结构,可保证HYPERLOX PLUS在切削中提供出色的抗磨损性能,涂层材料的结合特别紧密,降低了涂层与工件间的摩擦力,从而解决了排屑问题。基于HYPERLOX PLUS技术的涂层特别适用于普通钢、铸铁、合金以及不锈钢的粗加工。

综上所述,HYPERLOX PLUS涂层不仅能够提高刀片加工效率,而且能够延长刀片的使用周期和寿命。例如:加工20MnV6(1.5217)材料。

加厚涂层在机加工中可以更好地对刀具基体进行保护,体现出的高抗磨损性能确保刀片达到最佳切削效果。Hyperlox Plus在曲轴、齿轮、切槽和导轨等粗加工刀片中有具有绝对的优势,测试结果毋庸置疑地表明了赛利公司的加厚PVD涂层技术在高性能机加工领域的地位。

Aluspeed®适应于铝合金、钛合金及有色金属的涂层解决方案

Aluspeed®是二硼化钛纳米涂层,其特点是具有极其光滑的表面,涂层后仍能保持原有刀具的锋利度。涂层材料的精密结构,在中速加工应用中具有卓越的性能表现,在粗/精加工应用中都有良好性能表现。

Aluspeed®的优势:涂层后能保持原有刀具的锋利度;高韧性兼具高硬度;自润滑功能:对冷焊/切削瘤亲和性低;表面极其光滑,在铣削和钻削加工中可实现排屑槽的无摩擦排屑;在切削刃上有很低的摩擦,是被加工表面具有极佳的表面粗糙度以及被加工孔有极佳的同心度。

同时,非常适合加工铝、铜和钛合金还有含硅量10%以下的AlSi合金(针对硅含量更高的产品,我公司推荐使用金刚石涂层)。

HSN2硬材料加工领域的技术推进

硬材料加工在切削过程中会遇到很多问题,一般硬度大于50HRC的材料加工尤为困难,这时,你需要引进先进的加工工艺。众所周知,要想达到高效切削,需要机床、刀具、刀柄的紧密配合,而涂层就在这一过程中起到了举足轻重的作用。

为了满足材料硬度高达70HRC,切削速度高达250m/min,进给达到0.03～0.3mm/r的干加工,理想的涂层必须极为坚硬、光滑和耐高温,具有一定的化学稳定性。通过在涂层中加入特殊的组成成分,HSN2应运而生。让可以进行超硬材料加工的超级氮化物涂层从理想变成了现实。

同时,在我公司推出的最新磁控离子溅射工艺中,用户可以自主选择化学成分,赛利会将这些化学成分量精确地加入到HSN2涂层中,充分提高涂层性能。HSN2涂层的表面光滑而无液滴,可以很好地改善切削过程中的排屑问题,确保最佳的热传导。

多次的实际案例表明,相对于Tinalox涂层,赛利的超级氮化物涂层HSN2在加工硬度达到62HRC钢材时可以达到两倍以上的性能,开辟了工具制造商在硬加工领域的全新视角。

新一代可转位刀片涂层——超级氮化物涂层

Hyperlox®Plus能带给用户更厚、更光滑、更高效的涂层表面,以满足高端切削加工的要求。该涂层的解决方案适于所有类型的钢材、铸铁的粗加工,并在多元合金钢和不锈钢加工领域中展现出卓越的性能。

6～8μm厚的涂层在保护基体切削加工过程中免受诸如高温等伤害的同时,还能显著降低加工过程中的磨损。Hyperlox®Plus不仅适用于干切削,而且同样适用于湿切削。

涂层工艺篇5

铝青铜有许多优良的性能,如好的耐蚀性、优良的导热系数和稳定的刚度等,作为模具材料在拉伸、压延不锈钢板式换热器时不会产生粘模、划伤工件等缺陷,已成为一种新型模具材料[1]。但是,铝青铜合金的脆性较大,加工成本较高,而且铜的储藏量较小,价格较贵,属于应节约使用的材料之一,只有在特殊需要的情况下,例如要求有特殊的磁性、耐蚀性、加工性能、机械性能以及特殊的外观等条件下, 才考虑使用[2,3]。

采用表面工程技术在价格低廉的普通碳钢表面制作一层或多层复合的铝青铜合金涂层,既可以发挥铝青铜合金的优良性能,又可以解决铝青铜难加工问题,节约铜合金的用量,从而降低生产成本。目前,比较常用的铝青铜涂层制备方法有等离子喷焊、等离子喷涂和电弧喷涂等方法。兰州理工大学有色金属新材料国家重点实验室的研究团队采用超音速等离子喷涂、等离子喷焊等方法制备铝青铜涂层,针对涂层的制备工艺、微观组织结构、摩擦学特性和耐腐蚀性能等方面做了系统研究[4,5,6,7],所制备的铝青铜涂层与碳钢基材、铝青铜合金材料相比较,具有更好的耐磨性能和耐腐蚀性能。涂层中形成了由富铜的 β 相、( α + γ2) 共析相包围着大量k( Fe Al,FeAl Mn等) 相质点生长的均匀细小的组织,在软质相 α、β 基体上均匀分布着硬质k相,使得对摩表面主要由表面硬质相承受载荷,而软质相起着支持硬质相作用,从而提高了耐磨性能。铝青铜合金的结晶范围很窄,冷却速度过慢容易导致共析组织( α + γ2) 的生成,使得合金脆性加大。为了提高铝青铜合金冷却速度,减少合金中脆性相 γ2的生成,S. Alam[8]等采用低压等离子喷涂技术制备铝青铜涂层,有效地减少了脆性相 γ2的数量,获得了良好减摩耐磨性能的涂层。张忠礼[9,10]等采用电弧喷涂方法制备铝青铜涂层,着重研究了铝青铜涂层的抗高温氧化作用与机理,为铝青铜涂层在钢铁防护方面的应用研究奠定了基础。

可是,有关等离子喷涂铝青铜涂层制备工艺方面的研究较少。本文采用正交实验方法,研究喷涂工艺( 如喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量等) 对涂层孔隙率、硬度以及与基材之间结合强度的影响规律,获得涂层制备的最佳工艺参数,为等离子喷涂铝青铜涂层的工业化应用提供实验基础。

2实验材料及方法

实验选用退火态45钢( HRC22 ~ 25) 作为基材,尺寸为50 × 50 × 10 mm。先用丙酮对基材进行超声清洗,除去喷涂表面油污及杂物,然后进行喷砂粗化处理,喷涂之前基材经200 ℃ 预热处理。喷涂用铝青铜粉末粒度为 - 140 ~ 325目,其SEM形貌如图1所示,实验前经烘干处理。正交实验工艺参数为喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量,每个参数设有三个不同的水平( 见表1) ,对这四个参数和三个水平进行L9( 34) 正交实验设计,设计结果如表2所示。

采用金相显微镜观察涂层界面形貌,并用Image - Pro Plus6. 0图像分析软件测定涂层的孔隙率; 采用岛津HMV - G20维氏硬度计测定涂层表面硬度,每个试样表面硬度测量5次,取其平均值; 采用粘接拉伸法[11]检测涂层与基体的界面结合强度。

3实验结果与分析

3.1孔隙率

热喷涂的工作原理决定了涂层孔隙是不可避免的,孔隙的形成通常有变形粒子间不完全重叠、气孔形成和凝固收缩等三种机制。孔隙会引入腐蚀元素,腐蚀介质有可能通过穿孔到达被保护基体表面, 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,会使热喷涂涂层龟裂、脱落,导致涂层失效,且涂层孔隙的存在影响了涂层结合强度[12]。

不同工艺参数下等离子喷涂铝青铜涂层截面的金相形貌如图2所示,涂层均呈现典型的热喷涂层状结构,可以看出工艺参数对涂层形貌有着显著影响。正交实验孔隙率结果如表3所示,P5、P7、P8和P9涂层的孔隙率明显低于其他涂层。根据文献[13]中的方法,计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为2. 949、2. 378、2. 494和1. 166,极差越大,说明该因素对涂层孔隙率的影响越大[13]。孔隙率因素效应关系如图3所示,因此,影响孔隙率的主要因素是喷涂距离,其次是主气流量和喷涂电流,次气流量对孔隙率影响最小。

3.2显微硬度

正交实验硬度结果如表3所示,可以看出,P5涂层硬度最高 ( HV322 ) ,而P6涂层硬度最低 ( HV169) 。计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为17、54、73和25,极差越大,说明该因素对涂层硬度的影响越大。孔隙率因素效应关系如图4所示,因此,影响涂层硬度的因素主次顺序依次为主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量 > 喷涂距离。

P6涂层孔隙率比较高( 5. 069% ) ,当维氏压痕处于孔隙区域,所测得的硬度值自然要低一些。可是,有些涂层孔隙率较高,硬度并未明显降低( 如P4涂层) 。这是由于涂层的硬度不仅与致密性有关, 还和涂层晶粒的形状及大小和涂层的脆性等有很大关系[14],因此,有关孔隙率较高的涂层硬度反而较高的原因,还需要更深入的研究,受篇幅所限,相关研究结果以后将详细论述。

3.3结合强度

结合强度是衡量热喷涂涂层性能的重要参数。正交试验结合强度结果如表3所示,可以看出,P5涂层与45钢基材之间的结合强度最高,而P3涂层结合强度最低。试样P5涂层与基体结合区域形貌如图5( a) 所示,可以看出在P5涂层与基体之间形成了相当紧密的机械结合,而P3涂层与基体的结合相对较疏松( 见图5( b) ) 。通过计算得到喷涂距离、喷涂电流、主气流量和次气流量的极差值分别为5、6. 8、3. 8和1. 8,结合强度因素效应关系如图6所示,因此,影响涂层结合强度的因素主次顺序依次为喷涂电流 > 喷涂距离 > 主气流量 > 次气流量。

喷涂距离从80 mm到120 mm逐渐增加时,涂层与基体的结合强度先增大后减小,最大的结合强度达到23. 5MPa。当喷涂距离较小的时候,铝青铜颗粒在等离子焰流中停留的时间也相对较短,喷向基体前铝青铜颗粒的温度比较低,造成颗粒没有充分地熔化,使形成的涂层致密性降低,从而导致涂层与基体的结合强度也降低。当喷涂距离逐渐增大时,铝青铜颗粒在焰流中停留的时间延长,颗粒被喷向45钢基体前的温度比较高,颗粒也熔化得较充分,因此喷涂后的涂层较致密,结合强度较大。当喷涂距离过大时,由于铝青铜颗粒在等离子焰流中是先加速后减速,距离太大会导致颗粒喷向基体前的速度较小,对基体表面的冲击力也变小,因此涂层和基体的结合强度较小。通过以上分析可知,100 mm左右是比较合适的喷涂距离。

喷涂电流从350A到400A时,涂层与基体的结合强度变化不是很大( 如P1和P2) ,这说明了在350A和400A之间,颗粒已经得到了充分的熔化,可以得到相对致密的涂层。当喷涂电流继续增大到450A时,涂层与基体的结合强度明显降低,这是因为喷涂电流较大时,等离子喷涂的喷涂功率也较大, 被充分熔化的颗粒温度非常高,可能会被等离子焰流雾化成液滴,导致喷向基体时形成的涂层的孔隙也相对较多,因而涂层与基体的结合强度降低。因此,等离子喷涂铝青铜时的喷涂电流应控制在400A左右比较合适。

通过以上分析可得,结合强度最大的工艺参数为: 喷涂距离100 mm,喷涂电流400A,主气流量2500L / h,次气流量30L / h( 即P5涂层的工艺参数) 。

4结论

采用等离子喷涂技术在45钢表面成功制备了铝青铜涂层,研究了主气流量、次气流量、喷涂距离、喷涂电流等热喷涂参数对涂层孔隙率、硬度和结合强度等的影响规律。主要结论如下:

( 1) 影响涂层孔隙率的因素的主次顺序为喷涂距离 > 主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量,喷涂距离在100 ~ 120 mm之间较适宜。

( 2) 影响涂层硬度的因素主次顺序为主气流量 > 喷涂电流 > 次气流量 > 喷涂距离,硬度达到最高 ( HV322) 的喷涂工艺参数是喷涂距离100 mm,喷涂电流400A,主气流量2 500 L/h,次气流量30 L/h。

涂层工艺篇6

关键词：磁控溅射,选择性吸收涂层,吸收比,发射比

0 引言

太阳光谱选择性吸收涂层是太阳能光热转换的核心材料[1]。太阳光谱选择性吸收涂层的性能表征主要是太阳吸收比和发射比。近年来, 国内外科学工作者们对涂层材料进行了大量研究, 如W-Al2O3[2]、Ni-Al N[3]、Ni-Si O2[4]、Mo-Al2O3[5]、Mo-Si O2[6]、Ti-Al N[7]、Cr-Cr2O3[8]等。在实际应用中, 涂层附着在基底上, 要经过20 a~30 a的应用过程。涂层如何牢固地粘在基底上, 基底的粗糙状态 (钢片基底粗抛光或精抛光) 对涂层的性能有多大影响, 是很少被考虑到的问题。

本研究以SS (不锈钢) -Al N涂层为例, 说明上述问题, 并提出一种吸收层的金属陶瓷交替沉积法, 同时测试涂层的整体性能和老化结果。

1 实验

本实验在4 m真空磁控溅射镀膜机上进行, 圆柱卧式镀膜真空室, 上开门, 内腔尺寸:Φ1 250 mm×4 650 mm。镀膜室中心装有4个定向溅射平面靶, 靶面向外, 靶面尺寸4 282 mm×128 mm。靶材外围一周均匀分布可安装24支金属管, 金属管围绕靶材做公转加自转的行星运动, 其公自转比例1∶12.5。镀膜室装有2路进气系统, 分别通入惰性气体Ar和反应气体N2或O2或两种反应气体的混合气体。镀膜机真空系统采用预抽和精抽系统, 其精抽系统由8组直连泵加中科仪生产的FF-250/1 600复合分子泵组成。镀膜机配置单片机控制系统, 实现真空室抽真空和镀膜工艺的全自动运行。镀膜时试验用载玻片和抛光金属片安装在1支金属管上即可。

镀膜机配备3台电源, 2台直流电源和1台中频电源, 直流电源采用恒流输出工作模式, 中频电源采用恒功率输出模式。本实验安装4个靶材为Al、Al、SS (不锈钢) 、Cu, 其中SS和Cu分别采用直流电源, 2支Al靶选用中频电源。

溅射前将真空抽至5×10-3Pa以下, 采用偏压电源500 V对基材进行轰击清洗2 min, 然后按预先设置的镀膜工艺自动逐层制备复合吸收涂层。红外反射层采用Cu, 吸收层SS-Al N, 减反射层Al ON。

试样的吸收比α和发射比ε测量采用德国Optosol吸收发射快速测量仪进行测试。Optosol仪器由具有类似积分球功能的上表面开孔圆柱腔体与腔体内光谱选择性光源组成[9]。测量460 nm、570 nm、650 nm、880 nm及1 200 nm~1 900 nm 5个波段区的反射值, 然后进行近似计算。试样的透射比采用日立UV4100分光光度计测定光谱反射率R并计算得到透过率τ。

2 过程及结果讨论

2.1 提高膜层与基材的结合力

在工件或基材上加上高的偏压, 使离子轰击工件表面, 使工件表面形成1个过渡金属或金属陶瓷复合掺入工件表面的混合渗入层, 提高膜层与基体的结合力。同时溅射过程中的负偏压还能使得薄膜致密, 提高薄膜的质量[10,11]。

在基体和膜层之间增加一层粘结层或过渡层, 本研究选用了SS、Cu、Al N-Al作为粘结层, 在靶材允许的情况下也用到了Mo做粘结层, 镀在不锈钢直通管基地上, 并采用胶带撕拉法进行结合力测试。测试结果如图1所示:Cu直接镀制在不锈钢管上结合力最差, 胶带轻轻粘结, 即可将薄膜即由基底脱落, 因此红外反射层Cu, 不能直接用于不锈钢基底;SS和Mo作为粘结层则基本不脱落, 只有个别点脱落;Al N-Al是很好的粘结层。说明合适的材料作为基底与膜层之间的过渡, 可以提高两者之间的结合力。本实验膜系将使用Al NAl作为粘结层。

2.2 基体表面状态对发射率的影响

主要目的是研究基片表面粗糙状态对膜层发射率的影响。实验采用60 mm×70 mm不锈钢片, 分别用不同型号的水砂纸P240、P400、P600、P800、P1000、P1 200、P1 500、P2 000进行手工打磨2组试片, 形成表面不同粗糙度的试片。分别测试其发射率 (如P240砂纸打磨2个试片, 要求2个试片先后打磨的纹理方向一致, 并测试发射率一致或相接近) ;将认为合格的2组试片镀膜, 其中1组 (8片) 镀铜铝不锈钢膜系全膜层, 另外一组镀铜铝不锈钢膜系半膜层, 即只镀到红外反射层铜层结束镀膜;分别观察测量上两组试片镀膜后表面状态和发射率吸收率测量工作, 如表1所示。与表面抛光为镜面的基底相比较, 镜面基底发射率4%, 镀Cu之后发射率3%, 镀全层之后发射率7%, 吸收率96%。

影响有:

a) 膜面状态有较清晰的纹理, 平行和垂直纹理会有较小不同。成膜后的颜色状态也会有微小差别;

b) 打磨后的试片发射率都很高, 个别达到了19%。但在镀半膜后, 即镀完红外发射层, 最表面的材料为Cu, 其发射率除个别 (如P240和P1 000下) 发射率较高外, 其余均接近, 且较镀膜之前发射率明显下降, 与镀膜Cu本身的发射率3%一致。根据镀全膜层后的结果, 其发射率较镀膜之前发射率也均下降, 其值均接近, 在误差范围内, 且与抛光不锈钢片上镀膜的结果一致。表面光洁和粗糙度状态对试片本身的发射率有影响, 但对于镀膜之后的发射率没有太大影响;

c) 吸收率整体上试片与试片之间的区别不是很大, 视为位置和测量误差。

综上, 基底的光亮或粗糙状态直接影响基底的发射率, 但对于镀膜后的发射率和吸收率影响不大。值得说明的是红外反射层的发射率 (本实验中即为Cu层) 是影响整个膜层发射率的关键因素。

2.3 多亚层吸收层工艺优化

吸收层由超薄金属和介质层交替混合溅射沉积 (SS/Al N) / (SS/Al N) …, 如此循环6个~20个周期;第一吸收层和第二吸收层采用了不同的钢靶材功率, 第一吸收层的功率为20 k W, 第二吸收层的功率为10 k W。通过总厚度除以循环周期可确定, 每一个吸收层的循环周期均小于5 nm, 即超薄精细膜, 所以每一个吸收层都可以看作金属介质均匀混合的金属介质层, 即SS均匀分布在Al N, 吸收层简化为SS-Al N;第一和第二吸收层, 金属介质层中金属体积百分比不同, 分别为20%~40%和10%~30%。每一个吸收层的结构如图2所示。同样可达到干涉效果。

2.4 减反射层

用中频电源反应溅射在载玻片上沉积介质Al ON薄膜。沿金属管长度方向不同位置放置的镀上介质Al ON的载玻片经测试所得到的透过率基本相同, 说明镀膜过程沿长度方向分布均匀。如图3所示的通过分光光度计测得的反射曲线, 计算器透过率为86%。这与基底载破片的透过率一致, 说明所制备的Al ON减反射层质量很好。

2.5 涂层的整体性能

镀膜试片在大气条件下400℃循环加热 (每天8 h) 15 d, 颜色和性能基本无变化;吸收率96%, 发射7%。且在200℃、300℃、400℃、500℃下的红外发射比为7.7%、9.0%、10.1%、10.5%, 性能优异。

3 结语

合适的过渡层能够提高膜层与基底的结合力, 如Al NAl;基底的光洁度或粗糙度状态仅对基底的发射率产生影响, 对镀膜之后测试结果不产生影响;金属介质交替沉积的多周期吸收层可看作金属介质均匀混合的干涉型吸收层;应用上述吸收层的太阳选择性吸收涂层具有较好的吸收发射和耐温性能。

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等离子喷涂镍铬铝钇涂层工艺研究篇7

涡轴16发动机 ( WZ16) 为哈尔滨东安发动机 ( 集团) 有限公司与法国透博梅卡 ( Turbomeca) 公司合作研制的国际第四代先进民用涡轴发动机。中方负责研制生产的一种零件需要采用等离子喷涂技术制备镍铬铝钇 ( Ni Cr Al Y) 涂层。镍铬铝钇涂层属于抗高温氧化涂层, 可耐800~1100℃的高温, 在高温下能形成致密的氧化物保护膜以保护基体金属不被氧化, 并避免环境介质的腐蚀。抗高温涂层一般同时具备抗高温氧化、抗高温腐蚀及抗高温磨损性能。在镍铬合金中加入铝可在高温下形成Cr2O3与Al2O3的复合氧化物薄膜, 这层薄膜十分致密, 韧性好, 附着牢固, 熔点高, 高温化学稳定性好, 具有优异的抗高温氧化性能和抗热震性能。Y为对氧反应活性元素, 合金中加入少量的钇, 可以改善铬和氧化膜结构及结合性能, 增加Cr2O3、Al2O3膜的韧性。

喷涂采用的粉末为美科公司的Amdry962粉末, 该合金粉末的名义成分为Ni22Cr10Al1Y, 粉末的形貌如图1所示, 粉末的粒径为-75+45μm, 该球形粉末流动性比较好 , 送粉顺畅 , 比较适合等离子喷涂工艺的应用。采用该粉末制备的镍铬铝钇涂层结构致密、结合强度大、耐腐蚀和气蚀, 抗氧化性能优良。常用作高温耐热涂层, 也可作为热障涂层的粘接底层。

2 结果与讨论

对镍铬铝钇粉末的喷涂工艺参数进行优化, 研究等离子喷涂工艺参数与镍铬铝钇涂层的组织和结构的相互关系。涂层需要通过金相显微镜检查涂层的微观组织结构, 测试涂层的显微硬度, 涂层需通过杯突试验, 需要对涂层进行拉伸试验以测试涂层的结合强度。

等离子喷涂工艺参数中最关键的是喷涂功率和送粉量, 两者是决定粉末熔化效果的最关键因素。研究喷涂功率、送粉量对涂层硬度的影响, 每个试片喷涂20遍, 结果见表1。从表1可以看出, 1号至4号试片的镍铬铝钇涂层的沉积效率随喷涂功率的提高而提高, 特别是1号至3号, 尽管送粉量由21%减少到10%, 涂层的沉积效率依然提高。说明喷涂功率增大后粉末的熔化效果更好, 涂层的沉积效率因而提高。通过试验可以发现Ni Cr Al Y粉末的熔点较高, 因此沉积效率 ( 5~24μm/遍) 较其他低熔点粉末的沉积效率低。1号涂层过薄, 无法测量硬度。从2号至4号试片硬度测量结果可以看出, 功率提高时熔化效果更好, 镍铬铝钇涂层的硬度也提高。比较4号和5号可以看出, 功率增大到一定程度时, 增加送粉量会降低涂层的硬度。从表1的试验结果可以看出, Ni Cr Al Y粉末的熔点较高, 应该采用大功率才能提高涂层的沉积效率。5号样品的喷涂功率较大, 涂层沉积效率最高 , 制备出的涂层硬度满足技术指标要求 ( Hv0.3≥200) 。

图2a给出了5号试片涂层的表面形貌, 元素分析表明粉末熔化效果较好、铺展效果较好的表面平整区的主要成分为Ni Cr Al, 而表面灰色区域为合金氧化后的Ni Cr Al Y的氧化物。图2 ( b-c) 给出了5号试片涂层的截面金相照片 , 其中致密区域为Ni Cr Al合金 , 黑色区域为Ni Cr Al Y氧化物, 氧化物中Al的含量稍高, 说明Al优先被氧化。

以上试验表明5号样品的涂层硬度及微观组织结构满足技术指标要求。采用此参数制备试片及试棒进行杯突试验及结合强度测试, 测试表明杯突试验结果合格, 涂层的结合强度满足技术指标要求 ( ≥35MPa) 。

为了测试镍铬铝钇涂层的机加性能, 喷涂了进气机匣试验件的内径, 之后用镗刀加工至目标尺寸, 发现去除涂层表面粗糙层后露出光滑的表面, 呈现金属光泽 (图3) , 无金属掉渣、涂层脱落等现象, 镗刀加工也表明镍铬铝钇涂层的机加性能良好, 光度满足技术指标要求。

3 结束语

涂层工艺篇8

基于BSAS粉体的等离子喷涂工艺已经成为环境障涂层制备的发展趋势,目前该工艺发展相当成熟并已投入商业应用[12]。在等离子喷涂工艺中,粉体材料是决定涂层结构和性能的关键因素,研制高性能BSAS喷涂粉体是提升涂层性能的基础。本工作通过分析3种工艺制备的BSAS喷涂粉体及其涂层的结构和特性,综合评价不同粉体制备工艺对涂层性能的影响,为等离子喷涂制备环境障涂层奠定了高性能BSAS粉体技术基础。

1 实验

1.1 BSAS喷涂粉体制备

1.1.1 粉体造粒工艺制备BSAS喷涂粉体

以BaCO3,SrCO3,Al2O3,硅溶胶为原料,使用凝胶固相反应法[19]在1300℃煅烧3h预先合成得到BSAS粉体,球磨粉碎至亚微米级粉体后干燥,然后与黏结剂、分散剂、水按一定比例配制成浆料,混磨均匀后喷雾造粒,筛分出150~325目微球待用,粉体编号为BSAS-1。

1.1.2 造粒烧结工艺制备BSAS喷涂粉体

以BaCO3,SrCO3,Al2O3,硅溶胶为原料,与黏结剂、分散剂、水按一定比例配制成浆料,使用造粒烧结工艺,将原料球磨粉碎至亚微米级后,通过喷雾造粒工艺制备得到BSAS原材料微球,然后在1300℃煅烧3h得到BSAS微球粉末,筛分出150~325目微球待用,喷涂粉体编号为BSAS-2。

1.1.3 熔融破碎工艺制备BSAS喷涂粉体

熔融破碎工艺是将所需要的各种原料粉体混合后在专门的加热炉中熔融,急冷后再破碎至一定粒度,筛分后直接使用。该方法制备的粉末具有致密、块状、多棱角的特点[20]。本工作中熔融破碎法制备的粉体为进口粉体,粉体编号为BSAS-3。

1.2 涂层制备

以SiC陶瓷片为基体,首先对喷涂表面进行喷砂处理和超声清洗,采用A-2000型大气等离子喷涂设备,以氢气和氩气作为等离子气体,高压空气作为冷却气体,按表1中的工艺参数分别喷涂Si黏结层和BSAS面层。

1.3 粉体及涂层的性能与结构表征

采用D8ADVANCE型X射线衍射仪对粉体及涂层进行相结构分析;按照GB1482-1984《金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)》,以50g粉体流过规定孔径的标准漏斗所用的时间来表示,单位为s·50g-1;按照DIN51045-1-2005《固体热膨胀的测定》,将待测试粉体通过放电等离子烧结工艺制备成致密陶瓷圆片,并加工成5mm×5mm×25mm样块,置于DIL402E热膨胀仪中测其热膨胀系数;采用S-4800场发射扫描电镜观察粉体和试样的微观形貌;在Ф25.4mm×5mm的SiC基材上等离子喷涂制备EBC涂层试样,参照GBT8642-1988《金属热喷涂涂层结合强度的测定》,在C45-105型MTS万能试验机上测试涂层的结合强度。

2 结果及讨论

2.1 3种BSAS喷涂粉体基本性能比较

不同工艺制备的BSAS粉体的XRD谱图如图1所示,外观形貌如图2所示。3种工艺制备BSAS喷涂粉体的松装密度、流动性和沉积效率如表2所示。通过XRD谱图可以看出,将BSAS-1和BSAS-2的所有峰位置与单斜相BSAS的标准卡片(PDF38-1451)比对,特征峰位置全部相符,因此通过粉体造粒工艺和造粒烧结工艺都可以成功制备得到单斜相BSAS喷涂粉体,熔融破碎法制备的BSAS-3粉体的XRD图为晶粒发育尚未完整的不定形态。

通过3种粉体的微观形貌可以看出,BSAS-1粉体结构较疏松,表面粗糙,少量微球出现破碎情况;BSAS-2粉体表面光滑,颗粒均匀,表面形成熔融连接骨架结构,结合紧密;BSAS-3粉体颗粒不均匀,呈不规则多棱角致密块状。这是由于3种粉体制备工艺特点所致,粉体造粒工艺制备的BSAS-1是将粉体直接喷雾造粒用于喷涂,微球结构比较疏松,形状不够规整,粉体碎片表面能较大,这些因素增加了粉体流动的阻力,造成粉体的流动性较差;造粒烧结工艺制备的BSAS-2粉体,由于工艺次序为先造粒后烧结,所使用的原材料纯度高、粒度小、颗粒均匀,并且晶体生长在微球内进行,微球表面为光滑的结晶状态,形成的喷涂颗粒有一定的骨架强度,不易破碎,表面光滑细腻,粉体流动性好;熔融破碎法制备的BSAS-3,经过了高温熔化再破碎,粉体颗粒形状不规则,结构致密,孔隙率低,热导率大,在同等质量下具有更大的表面积,在等离子焰流中更易于熔化,可形成较致密的涂层。

(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3

用于等离子喷涂的粉体颗粒如果太粗,熔化状态不好,影响涂层之间的结合;反之如果颗粒太细,在喷涂过程容易被气流吹走,沉积效率太低,本工作筛分150~325目之间的BSAS粉体颗粒用于喷涂。与BSAS-1粉体相比,由于BSAS-2粉体在制备过程中增加了烧结工艺,其粉体结构更加致密,松装密度也比较大,流动性较好,沉积效率也较高。熔融破碎法制备的BSAS-3粉体松装密度最大,且易于流动,沉积效率最高。通过等离子喷涂的送粉测试证明,3种BSAS粉体均可顺利送粉,都可用于等离子喷涂。

热胀系数是选择涂层材料的重要依据。不同BSAS喷涂粉体热膨胀率测试曲线如图3所示,其中纵坐标中L0表示热胀试样在室温下的初始长度,dL表示热胀试样的长度变化,将试样的热胀百分比dL/L0相对温度的变化曲线进行线性拟合,斜率即为试样的热膨胀系数CTE。室温至1200℃区间内,BSAS-1与BSAS-2的热膨胀系数为5.02×10-6℃-1,BSAS-3的热膨胀系数为5.39×10-6℃-1,均与SiC陶瓷和SiC陶瓷基复合材料(热膨胀系数为4.5×10-6~5.5×10-6℃-1[12])有很好的热胀匹配,这也验证了单斜相BSAS粉体作为EBC涂层材料的可行性。

(a)BSAS-1和BSAS-2;(b)BSAS-3(a)BSAS-1and BSAS-2;(b)BSAS-3

2.2 3种BSAS粉体制备的EBC微观结构及组成

图4是3种涂层表面和截面的微观形貌。以SiC陶瓷为基体、Si为黏结层、3种BSAS粉体为面层,通过等离子喷涂工艺成功制备出EBC复合涂层。BSAS-1面层粗糙且孔隙率较高,这可能是由于喷涂粉体的流动性较差,喷涂过程中的送粉连续性不好造成的;相比而言BSAS-2粉体制备的EBC孔隙少、无裂纹、结构均匀、涂层之间衔接紧密;BSAS-3在等离子焰流中熔融最充分,形成涂层比较光滑,且孔隙极少,但是涂层表面布满明显的微裂纹。

等离子喷涂工艺是粉体在焰流的作用下熔化和加速,与基体撞击后铺展、凝固形成扁平粒子,扁平粒子间相互连接和堆叠,形成类似“砖墙”的层状结构的涂层过程[21,22]。采用等离子喷涂制备的EBC通常含有不同类型的孔隙,包括层间孔隙、层内裂纹、大孔和扁平粒子界面等,裂纹是材料缺陷的应力集中点,绝大多数EBC的剥落和失效是由裂纹的萌生、扩展及合并而引发的。因此可以推断,BSAS-3涂层中大量微裂纹引起的应力集中会导致涂层剥落。另外,微裂纹的存在还容易形成空气直接进入基体的通道,造成基体直接受到高温燃气的腐蚀,从而使涂层失去防护作用。

图5为3种不同BSAS涂层表面的XRD谱图。结果表明,经过等离子喷涂工艺的高温处理过程,BSAS-3粉体由不定形态转化为晶型结构,3种BSAS粉体形成的EBC成分大体一致,但均发生了一定的相组成重构,除了单斜相BSAS(PDF38-1451),还出现了一种新相Ba0.808(Al1.71Si2.29)O8(PDF88-1050),即BAS。众所周知,等离子喷涂工艺是将喷涂粉体熔融、加速和堆叠制备片层状涂层结构的过程。在一个熔融体系中,高熔点的组元往往率先结晶,当喷枪从样品表面移开时,涂层的冷却速率极快,部分高温熔体未能获得足够的时间和能量越过形成目标物相晶核的势垒,从而导致最终涂层中存在多种晶相,相组成重构会对涂层性能产生显著影响。3种涂层中BSAS晶型保留率分别为52.9%,53.2%,20.5%。

(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3

LEE等[12]的研究表明,在高温水氧环境下,由于BAS相对BSAS较高的SiO2活度导致气态Si(OH)4的快速生成,因此BAS相的挥发性远高于BSAS。在本工作制备的3种涂层中,BSAS-3涂层中重构产生的BAS相比例高达79.5%,可能会对涂层的高温稳定性产生不利的影响。

2.3 3种BSAS粉体制备的EBC结合强度及其剥离机理分析

采用相同等离子喷涂工艺,在Si黏结层表面分别喷涂3种BSAS粉体制备EBC,涂层与基体的结合强度如图6所示。通过涂层结合强度可以看出,等离子喷涂BSAS-1粉体和BSAS-2粉体制备的EBC结合强度分别为24.1MPa和29.8MPa,明显优于BSAS-3粉体制备的涂层(14.2MPa)。

为进一步探究3种涂层结合强度存在较大差别的原因,对断面进行了观察。图7是3种BSAS粉体在SiC基体上制备的EBC结合强度试样的拉断情况。BSAS-1和BSAS-2涂层的拉断面有明显的熔融液滴撞击到喷涂面后铺展开的Si熔滴,并可见裸露的SiC基体,拉断发生在SiC基体与Si黏结层之间;BSAS-3涂层拉断面可见整体连续的Si和部分BSAS面层,拉断发生在BSAS面层和Si黏结层之间。

等离子喷涂过程是一个将喷涂材料加热熔融后冷却的过程。根据喷涂过程中的热机械行为分析[23],喷涂材料在制备过程中的应力随着热胀系数的差别而有所不同,减小热胀不匹配度,可有效缓和制备过程中的热应力,这对涂层结合强度的提高起到积极的作用。在等离子喷涂工艺制备EBC过程中,分别存在Si黏结层和BSAS面层加热熔融和冷却收缩过程,热胀不匹配分别存在于Si层与SiC基体之间和BSAS面层与Si层之间。本工作所用BSAS-1(BSAS-2)和BSAS-3热膨胀系数分别为5.02×10-6,5.39×10-6℃-1,均大于文献[12]报道Si的热膨胀系数(4.5×10-6~5.5×10-6℃-1)。其中BSAS-3粉体的热胀系数最大,喷涂后产生的体积收缩大,即残余热应力最大。具体从微观上讲,BSAS-3粉体喷涂在Si黏结层上冷却后偏离喷涂瞬间的位置变化最大,改变了初始黏结状态,这也是BSAS-3涂层结合强度最差的原因;BSAS-1与BSAS-2涂层相比,区别就是BSAS-2粉体在造粒后经过了烧结,粉体更加致密,喷涂过程熔融充分,结合涂层SEM照片也可看出BSAS-2与Si层的过渡更加均匀,BSAS-1与Si之间存在较明显边界,因此BSAS-2涂层的结合力略高于BSAS-1涂层。

(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3(a)BSAS-1;(b)BSAS-2;(c)BSAS-3

3 结论

(1)分别采用粉体造粒工艺,造粒烧结工艺以及熔融破碎法制备得到BSAS喷涂粉体。3种粉体都能在SiC基体上通过等离子喷涂制备得到EBC复合涂层。

(2)喷涂粉体制备工艺对涂层的结构和组成有着重要的影响:粉体造粒工艺制备的BSAS涂层粗糙,孔隙率高;造粒烧结制备的BSAS涂层结构均匀,少孔隙无裂纹,BSAS相保留率达53.2%;熔融破碎法制备BSAS涂层平坦且孔隙极少,微裂纹较多,涂层经喷涂后BSAS相保留率为20.5%。

(3)BSAS-1和BSAS-2制备的EBC结合强度分别为24.1MPa和29.8MPa,明显高于BSAS-3粉体制备的涂层(14.2MPa)。影响结合强度的原因可能是由于BSAS粉体热胀系数不同所致。

摘要：采用不同工艺制备BSAS(BaO-SrO-Al2O3-SiO2)喷涂粉体。研究喷涂粉体特性及其对等离子喷涂工艺制备的环境障涂层结构和性能的影响。结果表明:粉体造粒工艺制备的BSAS喷涂粉体颗粒不均匀,流动性差。制备的涂层粗糙,孔隙率高,结合强度为24.1MPa;造粒烧结工艺制备的BSAS喷涂粉体表面圆滑,流动性好,沉积效率高。制备的涂层结构均匀,少孔隙,无裂纹,结合强度达到29.8MPa,涂层中BSAS相保留率最高,达到53.2%;熔融破碎工艺制备的BSAS粉体呈致密不规则块状,虽然流动性好沉积效率高,制备的涂层光滑且孔隙极少,但微裂纹较多,结合强度仅为14.2MPa,粉体经喷涂后发生相结构重组,BSAS相保留率为20.5%,对涂层的高温性能不利。分析认为,造粒烧结工艺制备BSAS粉体具有工艺过程简化、粉体质量好、相稳定性高等优点,更适合于等离子喷涂的要求。

涂层工艺篇9

派河三桥位于肥西县上派镇普贤路上, 该桥主跨跨径为70 m, 边跨跨径为50 m, 采用预应力混凝土箱梁结构, 箱梁采用满堂支架现浇的方法施工。斜拉索采用单索面扇形密索布置。斜拉索在主梁上的横向间距为1.0 m, 顺桥向两侧钢索为不对称的扇形布置。主跨标准索距6.0 m, 边跨索距为4.0 m, 全桥共有斜拉索20对 (40根) 。斜拉索的挂设采用单根钢绞线挂设法, 利用塔顶设置的卷扬机穿索, 单根安装就位后, 利用200 kN的小千斤顶在塔顶张拉, 单根钢绞线张拉完成后, 再采用大吨位的千斤顶进行调整。斜拉索布置图见图1。

2斜拉索安装工艺流程

针对本桥斜拉索体系的特点, 环氧涂层钢绞线斜拉索安装的基本工艺流程见图2。

3HDPE外套管及法兰焊接

HDPE管作为斜拉索的第一层防护保护层, 是拉索防腐措施的一个重要组成部分。拉索是由多股无粘结高强度PE钢绞线组成, 整束的外层是由双层同步挤压成型的HDPE外套管防护。

1) HDPE外套管及法兰热熔对焊。其热熔焊接见图3。

2) 搬运并储放已焊高密度聚乙烯管。

4挂索施工准备

4.1 锚具安装

挂索施工前需要在拉索的两端安装锚具, 锚具安装时要保证塔柱和桥面锚具孔位保持一致, 并固定锚具。因此需事先对塔柱和桥面锚具的孔位进行编号, 并确保孔位编号的一致性。

4.2 桥面工作平台准备

挂索施工前需要在桥面适当位置安装钢绞线导向轮、切割工作平台、钢绞线放线架以及切割的相关设备。

4.3 塔柱工作平台准备

挂索施工前需要在塔柱外张拉端锚具和预埋管附件安装工作平台, 并根据塔柱的各施工阶段, 在合适位置布设钢绞线牵引卷扬机。其中卷扬机钢丝绳要通过滑轮等引导至准确位置。

5HDPE管吊装

5.1 准备工作

依次将防水罩、延伸管 (含法兰) 套在焊接好的HDPE外套管上, 安装临时卡箍。

5.2 安装外套管连接卡箍

把带法兰的延伸管套到塔柱端HDPE外套管上, 直至外套管伸出延伸管。

5.3 穿入第一根钢绞线

将第一根钢绞线穿入HDPE外套管内, 其塔端部分伸出100 mm左右, 并用细钢丝临时固定。该钢绞线的主要作用为:张拉后, HDPE外套管由于自重压在其上, 使HDPE外套管绷直, 方便以后顺利穿入其他钢绞线, 同时其余钢绞线的索力将不受HDPE外套管自重的影响, 确保张拉索力的准确性。

5.4 塔吊起吊

起吊外套管时, 需用对讲机进行各岗位间的联系。一旦管子起吊到位, 在塔柱预埋管位置, 使卡箍与塔柱的预埋管连接, 此时保证斜拉索外套管至预埋管距离约为0.5 m, 松掉塔吊, 把荷载传至连接钢丝绳上。

6钢绞线安装张拉

6.1 钢绞线安装

本桥采用机械方法安装钢绞线。

6.2 钢绞线张拉施工控制

6.2.1 张拉施工工艺

本斜拉索施工采用单根钢绞线安装、单根张拉的施工工艺。其操作步骤如下:

1) 接通油泵和千斤顶的油管, 检查精密压力表是否与千斤顶相符;2) 将反力架穿过钢绞线并安装在锚具上;3) 将顶压杆穿过钢绞线和反力架, 顶压套筒套在顶压杆上;4) 单孔千斤顶穿过钢绞线顶在顶压套筒上, 确保千斤顶活塞头部凹槽全部嵌在顶压套筒上。顶压杆与千斤顶活塞之间、夹片与反力架之间有约20 mm的间隙, 使钢绞线张拉时夹片能随钢绞线移动而不致刮伤环氧涂层 (见图4) ;5) 启动油泵, 分级进行张拉;6) 当张拉力达到设计张拉力的50%时, 稳住油压停止张拉, 观察千斤顶上标尺或用钢直尺测量活塞行程, 并在表格上记录该数值;7) 继续张拉, 当张拉力达到计算给定的张拉吨位后, 稳住油压, 再用直尺测量此时千斤顶活塞的行程, 并在张拉表格上记录;8) 顶压夹片后回油, 将千斤顶从张拉钢绞线上移去, 完成一根钢绞线张拉的全过程;9) 根据表格记录的数据, 计算钢绞线延伸量, 再与理论延伸量作比较, 看是否满足规范允许的偏差要求, 如果在偏差范围以内, 则继续施工, 否则, 应停止张拉, 检查原因。

6.2.2 张拉施工控制

斜拉索的张拉过程分成两个阶段, 即拉索的初步张拉与拉索索力的平均调整。

所有钢绞线张拉完成后, 可以对索力进行抽样检查, 如满足规范要求, 则该束体外索张拉施工完成;如还有一定偏差, 则再进行索力平均调整, 根据施工经验, 进行第二次索力平均后, 钢绞线的索力应能很好的满足规范要求。

以上论述了如何通过分阶段张拉, 对斜拉索索力的施工控制, 为校验张拉索力的准确性, 需要在施工张拉中采用索力和延伸量双控的办法, 同时在张拉前计算好钢绞线的伸长量, 用于校核。

7调索施工

7.1 增加索力调索

张拉时用延伸量控制, 所有钢绞线拉至相同延伸量以达到群锚张拉效果。通过索的初始力和张拉完成后应达到的索力差值可计算并得到延伸量。

7.2 降低索力调索

在斜拉索初始安装张拉过程中索力张拉偏大或者后期调整索力时, 需要进行降低拉索索力的调索, 索力降低调索也是通过延伸量控制, 延伸量的计算原理和索力增加调索一样。本桥斜拉索规格较多, 最大规格为15股～43股, 因此采用650 t穿心式千斤顶进行整体调索。

8安装减振器及延伸管

减振器结构为多片外锥形高阻尼减振橡胶+内锥形钢套环的形式。安装减振器前, 先将索夹夹紧钢绞线束, 使之成为六边形或近似六边形的形状。然后将内锥形钢套环压入预埋钢管内, 将多片外锥形减振橡胶推入钢套环中, 使减振橡胶外锥面和内表面分别与钢套环内锥面和钢绞线束紧密贴合, 起到很好的拉索减振作用。梁端和塔端的减振器安装方式相同。

安装塔端延伸管前, 预先将连接法兰塞入预埋管内。用焊机将法兰和预埋管焊接牢固。将延伸管从HDPE管上解下, 用螺栓将其端部法兰与预埋钢管内的焊接法兰直接连接即可。

9张拉/固定端锚具内灌浆

灌浆前, 将灌浆管和出浆管接头与锚具连接。按要求配置砂浆, 并将其倒入灌浆泵中。启动灌浆泵, 将砂浆压入锚具内部, 直至砂浆溢出出浆软管口后, 将出浆软管弯折用钢丝绑扎, 继续灌浆保压2 min～5 min后停止灌浆。待浆体固化后撤除灌浆/出浆管。

10锚头处防腐

将锚头外的钢绞线按照规定长度进行切割, 切割后对钢绞线进行清洗, 防止被切割的碎屑挤压堵塞夹片之间的孔道, 影响油脂顺利通过。盖上保护罩, 用灌浆机向保护罩内灌注防腐油脂, 待泌浆口出油后停止灌油并关闭阀门。

11结语

斜拉索是斜拉桥的重要组成部分, 是主梁的直接承载力结构, 其施工质量的好坏直接影响斜拉桥的质量和使用寿命。在派河三桥斜拉索施工中, 其施工工艺不断创新, 施工机具得到改进, 施工更加安全、高效, 为同类桥梁的斜拉索施工提供科学的参考价值。

摘要：以安徽省派河三桥为依托, 从放索、安装、张拉、调索等方面重点介绍了环氧涂层钢绞线斜拉索安装的施工工艺技术, 工程实践表明, 该施工工艺先进, 已取得了满意的实用效果。

关键词：斜拉桥,斜拉索,放索,安装,张拉,调索

参考文献

[1]陈明宪.斜拉桥建造技术[M].北京:人民交通出版社, 2003.

[2]GTJ 041-2000, 公路桥涵施工技术规范[S].