CN102351497B - 一种耐高温环保型纳米改性无机涂料及制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及合金的高温防护技术，具体为一种耐高温环保型纳米改性无机涂料及制备方法与应用。该涂料包括液态硅酸钾、三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉；首先，将三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉均匀混合；然后，边搅拌边将上述均匀混合后的混合物加入硅酸钾中，充分混合；再加入蒸馏水，蒸馏水与上述充分混合后的混合物重量比例为1∶(3～10)，在搅拌机中以2000～2600rpm的转速搅拌5～30分钟后，经200目筛网过滤后即得到涂料。本发明解决现有技术中存在的无机涂层较容易从基体材料剥落等问题，该涂料同时具有耐高温、防腐蚀、耐水的特点，具有良好的抗热震性能，涂料无毒、无污染，有利于环保，适用于运行于高温环境的合金制件。
Description
技术领域
本发明涉及合金的高温防护技术，具体为一种耐高温环保型纳米改性无机涂料及制备方法与应用。
背景技术
TiAl合金由于具有优良的力学性能，如高温条件下的高强度、高弹性模量等，被认为是理想的高温结构材料。在高温条件下，TiAl合金的抗氧化能力较弱，合金表面形成Al2O3和保护性较差的金红石型TiO2混合物，而不是致密的α-Al2O3保护膜，限制了其进一步的应用。
有机涂料作为金属材料的防护涂层具有悠久的应用历史，但有机涂料的一个缺点是含有有机溶剂，对保护环境非常不利，而绝大多数有机涂层不能用于材料的高温防护。在耐高温涂层方面，只有有机硅涂料等少数涂料可以在高温下使用，但同样存在有机物排放问题。以水性富锌涂料为代表的无机涂料具有较好的耐高温性能，但由于涂层中含有大量的锌粉，其使用温度不能太高。
在高温防护涂层方面，当温度波动较大时，无机涂层较容易从基体材料剥落下来，造成这一问题的根本在于涂层与基体合金的膨胀系数差异过大，冷热交替就会产生较大的热应力，当应力集中超过涂层的强度时就会使涂层开裂或剥落。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温环保型纳米改性无机涂料及制备方法与应用，解决现有技术中存在的无机涂层较容易从基体材料剥落等问题，该涂料同时具有耐高温、防腐蚀、耐水的特点，具有良好的抗热震性能，涂料无毒、无污染，有利于环保。
本发明的技术方案是：
一种耐高温环保型纳米改性无机涂料，包括液态硅酸钾、三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉；按重量百分比计，液态硅酸钾占30～70％，三聚磷酸铝占3～20％，三氧化二铝占5～50％，纳米金属粉占0.5～15％，Zn粉占0～15％；其中，纳米金属粉为纳米Cr粉、纳米Ti粉、纳米Al粉之一种或两种以上；以蒸馏水为溶剂调节涂料的粘度，蒸馏水与上述物质的重量比例为1∶3～10。
本发明中，按重量百分比计，优选的涂料组成为：
液态硅酸钾占40～60％，三聚磷酸铝占5～15％，三氧化二铝占10～40％，纳米金属粉占1～10％，Zn粉占5～20％。
本发明中，硅酸钾的模数为3.0～4.0。
本发明中，三氧化二铝的粒径为1～50μm。
本发明中，纳米金属粉(纳米Cr粉、纳米Ti粉、纳米Al粉)的粒径为1～100nm，Zn粉的粒径为5～50μm。
上述耐高温环保型纳米改性无机涂料的制备方法为：
首先，将三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉均匀混合；然后，边搅拌边将上述均匀混合后的混合物加入硅酸钾中，充分混合；再加入蒸馏水，蒸馏水与上述充分混合后的混合物重量比例为1∶(3～10)，在搅拌机中以2000～2600rpm的转速搅拌5～30分钟后，经200目筛网过滤后即得到涂料。
在加入蒸馏水准备进行搅拌时，加入占上述充分混合后的混合物一半的研磨珠，研磨珠的粒径为0.5～1.5mm。研磨珠为玛瑙珠、陶瓷珠(如二氧化锆珠或硅酸锆珠等)或不锈钢珠。
上述耐高温环保型纳米改性无机涂料的应用为：
采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂到经过喷砂处理的合金零部件表面，涂层室温固化或在高温炉(温度为100～300℃)中固化0.5～3h，一道喷涂涂层厚度为30～60μm，根据需要可进行一道或一道以上多道涂装。
本发明中，耐高温环保型纳米改性无机涂料可以用于钛合金制件，尤其适用于γ-TiAl合金制件，还可应用于其它类型的材料如铁基高温合金、镍基高温合金或不锈钢等部件的防护。
本发明的优点及效果：
1、本发明研制出了耐高温防护涂层，涂料不含有机溶剂，无毒、无污染。
2、本发明中使用纳米金属粉来抑制涂层制备过程中容易出现的鼓泡等缺陷，纳米金属粉的加入有效提高了涂层的抗氧化性能和热震性能，由于纳米粉体颗粒较小，在冷却过程中涂层的热应力得到了有效分散，避免出现较大的应力集中，从而提高了涂层的抗剥落的性能。
3、三聚磷酸铝和Zn粉是硅酸钾涂料的有效固化剂，提高涂层的强度。三氧化二铝的加入一方面提高了涂层的耐热性，同时还赋予了涂层良好的耐磨性能和硬度。
4、本发明适用于运行于高温环境的钛合金制件、γ-TiAl合金制件、铁基高温合金或不锈钢等部件的防护，采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂到经过喷砂处理的合金表面，在800℃经2160h氧化及在900℃氧化100h，合金得到有效防护，而涂层未有起皮、鼓泡、剥落等破坏。
附图说明
图1为经900℃氧化100h后涂层微观形貌。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：
实施例1
称取500g模数为3.5的硅酸钾，三聚磷酸铝200g，粒径为50nm的纳米Cr粉20g、粒径为50nm的纳米Ti粉30g，粒径为2μm的三氧化二铝200g，粒径为10μm的Zn粉50g。预混合三聚磷酸铝、纳米Cr粉、纳米Ti粉、三氧化二铝和Zn粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入200g蒸馏水和500g粒径为1mm的硅酸锆珠，在搅拌机中以2300rpm的转速搅拌15分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金零部件表面，表干6min后放入炉温为250℃的电阻炉中保温1.5h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述40μm耐高温防护涂层的γ-TiAl合金在900℃经100h氧化，涂层完好，未出现起泡、剥落等破坏；涂层耐40℃模拟海水浸泡；在700℃保温15min后，迅速放入室温盐水中，经过20次热震，涂层完好。
如图1所示，采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金表面，在900℃氧化100h，从涂层微观形貌可以看出，涂层致密，未发现局部鼓泡、剥落等破坏。
实施例2
称取800g模数为4.0的硅酸钾，三聚磷酸铝200g，粒径为50nm的纳米Cr粉100g、粒径为50nm的纳米Ti粉100g，粒径为50μm的三氧化二铝800g。预混合三聚磷酸铝、纳米Cr粉、纳米Ti粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入500g蒸馏水和1000g粒径为1.5mm的玛瑙珠，在搅拌机中以2500rpm的转速搅拌10分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的TA11合金零部件表面，室温固化24h后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述35μm厚涂层的TA11钛合金在700℃经过1000恒温氧化，涂层完好，基体合金得到了有效防护，而未涂装涂层的钛合金表面发生了较为严重的氧化。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例3
称取300g模数为3.0的硅酸钾，三聚磷酸铝40g，粒径为80nm的纳米Cr粉2.5g、粒径为50nm的纳米Ti粉7.5g，粒径为40μm的三氧化二铝150g。预混合三聚磷酸铝、纳米Cr粉、纳米Ti粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入125g蒸馏水和250g粒径为1mm的不锈钢珠，在搅拌机中以2100rpm的转速搅拌12分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的TC4合金零部件表面，表干10min后放入炉温为280℃的电阻炉中保温2h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述80μm涂层的TC4钛合金在600℃经过1000h恒温氧化，涂层具有完全抗氧化性能，而未涂装涂层的钛合金表面发生了较为严重的氧化。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例4
称取10kg模数为3.5的硅酸钾，三聚磷酸铝4kg，粒径为30nm的纳米Cr粉1kg，粒径为5μm的三氧化二铝5kg。预混合三聚磷酸铝、纳米Cr粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入7kg蒸馏水和10kg粒径为1mm的硅酸锆珠，在搅拌机中以2000rpm的转速搅拌20分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金零部件表面，表干10min后放入炉温为100℃的电阻炉中保温2h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述50μm厚涂层的γ-TiAl合金在800℃经过2160h恒温氧化，涂层完好，未发现起皮、剥落等破坏，而未涂装涂层的钛合金表面发生了较为严重的氧化。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例5
称取3kg模数为3.5的硅酸钾，三聚磷酸铝0.5kg，粒径为30nm的纳米Al粉0.05kg，粒径为30μm的三氧化二铝1kg，粒径为10μm的Zn粉0.45kg。预混合三聚磷酸铝、纳米Al粉、Zn粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入1kg蒸馏水和2.5kg粒径为1mm的不锈钢珠，在搅拌机中以2000rpm的转速搅拌15分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金零部件表面，表干15min后放入炉温为150℃的电阻炉中保温2.5h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述60μm厚涂层的γ-TiAl合金在900℃经过100h恒温氧化，涂层完好，基体钛合金得到了有效防护，而未涂装涂层的钛合金表面氧化皮成片剥落。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例6
称取500g模数为3.0的硅酸钾，三聚磷酸铝150g，粒径为50nm的纳米Ti粉5g，粒径为10μm的三氧化二铝245g，粒径为30μm的Zn粉100g。预混合三聚磷酸铝、纳米Ti粉、Zn粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入100g蒸馏水和500g粒径为1mm的硅酸锆珠，在搅拌机中以2350rpm的转速搅拌13分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的TC4合金零部件表面，表干8min后放入炉温为300℃的电阻炉中保温2.5h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述45μm厚涂层的TC4钛合金在550℃经过300h恒温氧化，涂层完好，未发现起泡、起皮、剥落等破坏，而未涂装涂层的钛合金表面覆盖了较厚的氧化膜。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例7
称取800g模数为3.0的硅酸钾，三聚磷酸铝200g，粒径为50nm的纳米Ti粉10g，粒径为30nm的纳米Cr粉10g，粒径为50nm的纳米Al粉20g，粒径为25μm的三氧化二铝800g，粒径为20μm的Zn粉160g。预混合三聚磷酸铝、纳米Ti粉、纳米Al粉、纳米Cr粉、Zn粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入500g蒸馏水和1000g粒径为1mm的不锈钢珠，在搅拌机中以2500rpm的转速搅拌5分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金零部件表面，室温固化24h后即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述85μm厚涂层的γ-TiAl合金在1000℃经过80h恒温氧化，涂层完好，基体合金得到了较好的保护，而未涂装涂层的钛合金氧化严重。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例8
称取2100g模数为3.5的硅酸钾，三聚磷酸铝300g，粒径为50nm的纳米Cr粉100g，粒径为50nm的纳米Al粉50g，粒径为20μm的三氧化二铝300g，粒径为5μm的Zn粉150g。预混合三聚磷酸铝、纳米Al粉、纳米Cr粉、Zn粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入300g蒸馏水和1500g粒径为1mm的玛瑙珠，在搅拌机中以2500rpm的转速搅拌10分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的γ-TiAl合金零部件表面，表干12min后放入炉温为180℃的电阻炉中保温3h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述70μm厚涂层的γ-TiAl合金在800℃经过1000h恒温氧化，涂层完好，而未涂装涂层的钛合金表面发生了较为严重的氧化。涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例9
称取600g模数为3.5的硅酸钾，三聚磷酸铝200g，粒径为50nm的纳米Cr粉100g，粒径为10μm的三氧化二铝1000g，粒径为10μm的Zn粉100g。预混合三聚磷酸铝、纳米Cr粉、Zn粉和三氧化二铝粉，边搅拌边加入硅酸钾中充分混合，加入650g蒸馏水和1000g粒径为1.2mm的二氧化锆珠，在搅拌机中以2500rpm的转速搅拌12分钟后，经200目筛网过滤后获得涂料。采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂或刷涂到经过喷砂处理的GH907合金或304不锈钢零部件表面，表干10min后放入炉温为230℃的电阻炉中保温3h。取出空冷后，即获得耐高温防护涂层。
本实施例中，耐高温防护涂层的性能参数如下：
涂装了上述40μm厚涂层的GH907合金和304不锈钢在700℃经过500h恒温氧化，涂层未出现起皮、剥落等破坏，而未涂装涂层的GH907合金和304不锈钢表面发生了较为严重的氧化，涂层具有良好的耐海水腐蚀和盐雾腐蚀性能。
实施例结果表明，通过该工艺得到的耐高温防腐蚀涂层技术具有良好的耐腐蚀和耐高温性能，易于控制，适合工业化生产，具有无毒、无污染的特性，有利于环境保护。
另外，以上所述，仅是本发明较佳可行的实施例而已，不能以此局限本发明之权利范围，所述耐高温防护涂料可以用于钛合金制件，还可应用于其它类型的材料如铁基高温合金、镍基高温合金或不锈钢等部件的防护。因此，依本发明的技术方案和技术思路做出其它各种相应的改变和变形，仍属本发明所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耐高温环保型纳米改性无机涂料，其特征在于：该涂料包括液态硅酸钾、三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉；按重量百分比计，液态硅酸钾占30～70%，三聚磷酸铝占3～20%，三氧化二铝占5～50%，纳米金属粉占0.5～15%，Zn粉占0～15%；其中，纳米金属粉为纳米Cr粉、纳米Ti粉、纳米Al粉之一种或两种以上；以蒸馏水为溶剂调节涂料的粘度，蒸馏水与上述物质的重量比例为1:3～10。
2.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料，其特征在于：按重量百分比计，涂料组成为：
液态硅酸钾占40～60%，三聚磷酸铝占5～15%，三氧化二铝占10～40%，纳米金属粉占1～10%，Zn粉占5～10%。
3.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料，其特征在于：硅酸钾的模数为3.0～4.0。
4.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料，其特征在于：三氧化二铝的粒径为1～50μm。
5.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料，其特征在于：纳米Cr粉、纳米Ti粉或纳米Al粉的粒径为1～100nm，Zn粉的粒径为5～50μm。
6.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料的制备方法，其特征在于：首先，将三聚磷酸铝、三氧化二铝、纳米金属粉和Zn粉均匀混合；然后，边搅拌边将上述均匀混合后的混合物加入硅酸钾中，充分混合；再加入蒸馏水，蒸馏水与上述充分混合后的混合物重量比例为1:（3～10），在搅拌机中以2000～2600rpm的转速搅拌5～30分钟后，经200目筛网过滤后即得到涂料。
7.按照权利要求6所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料的制备方法，其特征在于：在加入蒸馏水准备进行搅拌时，加入占上述充分混合后的混合物一半的研磨珠，研磨珠的粒径为0.5～1.5mm。
8.按照权利要求7所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料的制备方法，其特征在于：研磨珠为玛瑙珠、陶瓷珠或不锈钢珠。
9.按照权利要求1所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料的应用，其特征在于：采用喷涂或刷涂的方式将涂料喷涂或刷涂到经过喷砂处理的合金零部件表面，涂层室温固化或在高温炉中固化0.5～3h，一道喷涂涂层厚度为30～60μm，根据需要进行一道或一道以上多道涂装。
10.按照权利要求9所述的耐高温环保型纳米改性无机涂料的应用，其特征在于：耐高温环保型纳米改性无机涂料用于钛合金制件、γ-TiAl合金制件、铁基高温合金部件或不锈钢部件的防护。
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