CN104649713A

CN104649713A - 一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂及其使用方法

Info

Publication number: CN104649713A
Application number: CN201510100842.9A
Authority: CN
Inventors: 邵芳; 杨凯; 赵华玉; 钟兴华; 刘晨光; 王亮; 陶顺衍
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2035-03-06
Also published as: CN104649713B

Abstract

本发明涉及一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂及其使用方法，所述无机封孔剂包括磷酸盐化合物、氧化物颗粒以及水，其中，磷酸盐化合物包括磷酸氢铝、磷酸二氢铝和/或正磷酸铝，氧化物颗粒包括氧化铝、氧化硅和/或氧化镁，氧化物颗粒占磷酸盐化合物质量的2-30%。

Description

一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种涂层封孔剂及其使用方法，特别涉及一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘封孔剂及其使用方法。

背景技术

耐磨、抗蚀作为热喷涂涂层的重点应用方向，在海洋工况条件下有着极好的应用前景。尤其是在某些高载工况条件下的耐磨结构件，如火箭、舰载机、高铁机车等装置用特种介质泵、关节轴承、绝缘轴承等部件的耐磨(绝缘)涂层等，既要承受高速、高载荷及其伴随的高摩擦热(摩擦接触面最高温度可达1000℃左右)，同时还要满足海洋气氛条件下的长寿命可靠服役。热喷涂工艺制备的涂层不可避免地存在一定量的孔隙。在海洋工况条件下，液相或气相腐蚀介质会通过孔隙渗达基体，对基体产生腐蚀。另一方面，在潮湿环境下，孔隙会吸收水汽，造成涂层绝缘电阻的指数级下降，影响装备的安全可靠使用。因此，亟待开发适合热-力耦合工况要求，且耐海洋环境的封孔技术，隔绝海洋盐雾的腐蚀通道，增强涂层在潮湿环境下的绝缘性能，为重大装备在海洋工况条件下的长期、可靠服役提供保障。

国内外对热喷涂涂层的封孔技术均展开了广泛地研究，用作涂层封孔的工艺技术也很多，如有机/无机封孔剂封孔、激光重熔处理等。有机封孔剂成本较低、封孔工艺简单，粘结能力强，但有机封孔剂耐高温性较差，不适合在高温下长时间使用。激光重熔处理封孔效果好，但封孔后涂层残余应力大，影响耐磨可靠性。而无机封孔剂耐高温性能优越，封孔后对涂层力学性能的负面影响小。但现有的溶胶等无机封孔剂大都固含量低、封孔致密度低，存在K⁺、Na⁺等导电性离子，绝缘性较差等缺点。

发明内容

本发明旨在克服现有无机封孔剂的性能缺陷，本发明提供了一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘封孔剂及其使用方法。

本发明提供了一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂，所述无机封孔剂包括磷酸盐化合物、氧化物颗粒以及水，其中，磷酸盐化合物包括磷酸氢铝、磷酸二氢铝和/或正磷酸铝，氧化物颗粒包括氧化铝、氧化硅和/或氧化镁，氧化物颗粒占磷酸盐化合物质量的2-30％。

较佳地，氧化物颗粒的粒径为20～150nm。

较佳地，所述无机封孔剂的固含量为50％～80％。

又，本发明还提供了一种上述无机封孔剂的使用方法，包括：

1)制备所述无机封孔剂：将氢氧化铝、磷酸溶液、氧化物颗粒，均匀混合后，得到所述无机封孔剂；

2)将所述无机封孔剂通过真空浸渍或超市浸渍，浸入涂层的孔隙中，得到浸渍有无机封孔剂的涂层；

3)将所述浸渍有无机封孔剂的涂层静置后，在100-400℃进行固化处理。

较佳地，步骤1)中，用于制备所述无机封孔剂的原料中，按重量比计，Al(OH)₃：H₃PO₄：H₂O＝1：(2～5)：(0.5～2)，优选，Al(OH)₃：H₃PO₄：H₂O＝1：(2～5)：(0.5～2)。

较佳地，磷酸溶液的浓度为65％-85％。

较佳地，步骤1)中，先将氢氧化铝加入磷酸溶液中，在50-100℃下搅拌直至澄清，再加入氧化物颗粒并使其均匀分散。

较佳地，浸渍过程中，保持温度在40～100℃。

较佳地，将所述浸渍有无机封孔剂的涂层静置6-48小时后，在100-400℃进行固化处理2-12小时。

本发明的有益效果：

本发明公开了一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂及其使用方法。封孔剂的特征在于，包含磷酸盐化合物和氧化物纳米颗粒。本发明提供的高温绝缘无机封孔剂固含量较高，封孔效果较好，渗透深度可达～70μm。封孔后涂层在潮湿条件下的绝缘电阻较高，可达50MΩ以上。原料廉价易得，工艺耗时较短，所需生产设备简单，易于实现工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中封孔后试样涂层横截面的SEM照片；

图2为实施例4中封孔后试样涂层横截面的SEM照片；

图3为对比例1中未封孔试样涂层横截面的SEM照片；

图4为实施例2、对比例2中试样经96h盐雾腐蚀后照片。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明的目的在于提供一种热喷涂陶瓷涂层用封孔剂，具有良好的耐高温性和封孔效果，能有效提高涂层的抗蚀能力和耐湿绝缘性能，并且不会对涂层的耐磨性能产生不利影响，可大幅增加喷涂工件的使用寿命。

本发明的另一目的在于提供一种热喷涂陶瓷涂层的封孔处理方法，其是利用渗透性良好的高温绝缘无机封孔剂来直接封闭孔隙，封孔效果好，无毒、廉价，工艺简单。

为实现发明目的，本发明提供一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂，包括磷酸盐化合物和氧化物纳米颗粒。

所述的磷酸盐化合物为由磷酸氢铝、磷酸二氢铝、正磷酸铝、其水合物，及其相互组合而成的体系。磷酸盐化合物是以氢氧化铝和磷酸为前驱体制备而成。

所述的氧化物纳米颗粒为选自于由氧化铝、氧化硅、氧化镁及其相互组合而成的体系。所述的纳米颗粒的粒径为20～150nm。所述的纳米颗粒增强剂的质量百分比为2～30％。

为实现另一发明目的，本发明提供一种热喷涂陶瓷涂层的封孔处理方法，其是利用渗透性良好的无机封孔剂来直接封闭孔隙，无毒廉价，工艺简单。

本发明的目的是通过下列方案实施的：

本发明提供的高温绝缘无机封孔剂，其制备方法是：将Al(OH)₃逐步加入稀释后的H₃PO₄溶液中，按摩尔比计，Al(OH)₃：H₃PO₄＝1：(1～4)，按重量比计，Al(OH)₃：H₃PO₄：H₂O＝1：(2～5)：(0.5～2)。加热至50～100℃，在此温度下搅拌直至澄清，得到磷酸盐化合物。添加纳米氧化物粉体，使其均匀分散，得到封孔剂。所述纳米氧化物选自于由氧化铝、氧化硅、氧化镁及其组合所组成的组，纳米氧化物粉体的加入量为磷酸盐基料质量的2～30％。

本发明提供的高温绝缘封孔剂的封孔工艺，具体是：将涂层清洗干燥后，再使用真空或超声浸渍的方法使封孔剂渗入涂层孔隙中(浸渍过程中，保持温度在40～100℃)。在空气中静置6～48h，随后进行固化处理。固化处理的温度为100～400℃，固化处理的时间为2～12h。

本发明中，利用真空或超声辅助的技术来增强浸渍效果，并在浸渍过程中保持温度在40～100℃，以降低封孔剂粘度，增强封孔效果。

本发明提供的高温绝缘无机封孔剂及其使用方法具有如下特点：

(1)无机封孔剂，耐高温性能较好；

(2)封孔剂固含量较高，封孔效果较好，渗透深度可达～70μm，封孔层致密度较高；

(3)封孔后涂层在潮湿条件下的绝缘电阻较高，可达50MΩ以上；

(4)原料廉价易得，工艺耗时较短，所需生产设备简单，易于实现工业化生产。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

实施例1

(1)将Al(OH)₃逐步加入稀释后的H₃PO₄溶液中，按摩尔比计，Al(OH)₃：H₃PO₄＝1：3，按重量比计，Al(OH)₃：H₃PO₄＝1：4.2。其中，稀释前H₃PO₄溶液的浓度为85％，稀释后H₃PO₄溶液的浓度约为70％。加热至80℃，在此温度下搅拌直至澄清，得到磷酸盐溶液。添加纳米氧化铝粉体，使其均匀分散。氧化铝粒径为20～150nm，纳米氧化铝粉体的加入量为磷酸盐基料质量的5％；

(2)将采用大气等离子喷涂制备的试样(试样表面涂层的组成为Al₂O₃，试样形状为方片，尺寸为15mm×30mm放入乙醇与丙酮中超声清洗，干燥后待用；

(3)采用超声浸渍的方法使封孔剂渗入涂层孔隙中(超声时间60min，超声温度60℃)。在空气中静置12h，随后依次在100℃、200℃和250℃加热2～3h进行固化处理；

图1为其横截面SEM图像，封孔剂渗透深度约为72μm。

实施例2

制备方法同实施例1，不同的是试样的形状与尺寸不同，试样为球面轴承，外径尺寸为18mm。采用绝缘电阻测试仪对封孔后的涂层进行绝缘电阻测试，常温常湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥100ΜΩ，潮湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥100ΜΩ(测试电压500V)。96h盐雾腐蚀试验后试样表面无锈点(见图4)。

实施例3

制备方法同实施例1，不同的是试样的形状与尺寸不同，试样为空心圆柱体，高度为100mm。采用绝缘电阻测试仪对封孔后的涂层进行绝缘电阻测试，常温常湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥100ΜΩ，潮湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥50ΜΩ(测试电压1000V)。

实施例4

试样的形状与尺寸、制备及测试方法同实施例1，不同的是纳米氧化铝粉体的加入量为磷酸盐基料质量的10％。图2为其横截面SEM图像，封孔剂渗透深度约为53μm。

实施例5

试样的形状与尺寸、制备及测试方法同实施例2，不同的是纳米氧化铝粉体的加入量为磷酸盐基料质量的10％。常温常湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥100ΜΩ，潮湿条件下封孔后涂层绝缘电阻≥100ΜΩ(测试电压500V)。

对比例1

作为比较，我们还制备了不经过封孔处理的喷涂态涂层。试样的形状尺寸、涂层的制备及测试方法同实施例1，不同的是不经过封孔处理。图3为其横截面SEM图像。

对比例2

作为比较，我们还制备了不经过封孔处理的喷涂态涂层。试样的形状尺寸、涂层的制备及测试方法同实施例2，不同的是不经过封孔处理。常温常湿条件下涂层绝缘电阻在≥100ΜΩ，潮湿条件下涂层绝缘电阻在2ΜΩ到5ΜΩ之间(测试电压500V)。96h盐雾腐蚀试验后试样表面有锈点(见图4)。

对比例3

作为比较，我们还制备了不经过封孔处理的喷涂态涂层。试样的形状尺寸、涂层的制备及测试方法同实施例3，不同的是不经过封孔处理。常温常湿条件下涂层绝缘电阻在2ΜΩ到20ΜΩ之间，潮湿条件下涂层绝缘电阻在10KΩ到2ΜΩ之间(测试电压1000V)。

Claims

1.一种热喷涂陶瓷涂层用高温绝缘无机封孔剂，其特征在于，所述无机封孔剂包括磷酸盐化合物、氧化物颗粒以及水，其中，磷酸盐化合物包括磷酸氢铝、磷酸二氢铝和/或正磷酸铝，氧化物颗粒包括氧化铝、氧化硅和/或氧化镁，氧化物颗粒占磷酸盐化合物质量的2-30%。

2.根据权利要求1所述的无机封孔剂，其特征在于，氧化物颗粒的粒径为20-150 nm。

3.根据权利要求1或2所述的无机封孔剂，其特征在于，所述无机封孔剂的固含量为50%-80%。

4.一种权利要求1-3中任一所述无机封孔剂的使用方法，其特征在于，包括：

1）制备所述无机封孔剂：将氢氧化铝、磷酸溶液、氧化物颗粒，均匀混合后，得到所述无机封孔剂；

2）将所述无机封孔剂通过真空浸渍或超声浸渍，浸入涂层的孔隙中，得到浸渍有无机封孔剂的涂层；

3）将所述浸渍有无机封孔剂的涂层静置后，在100-400℃进行固化处理。

5.根据权利要求4所述的使用方法，其特征在于，步骤1）中，用于制备所述无机封孔剂的原料中，按重量比计，Al(OH)₃：H₃PO₄：H₂O=1：(2-5)：(0.5-2)，优选，Al(OH)₃：H₃PO₄：H₂O=1：(2-5)：(0.5-2)。

6.根据权利要求4或5所述的使用方法，其特征在于，磷酸溶液的浓度为65%-85%。

7.根据权利要求4-6中任一所述的使用方法，其特征在于，步骤1）中，先将氢氧化铝加入磷酸溶液中，在50-100℃下搅拌直至澄清，再加入氧化物颗粒并使其均匀分散。

8.根据权利要求4-7中任一所述的使用方法，其特征在于，浸渍过程中，保持温度在40-100℃。

9.根据权利要求4-8任一所述的使用方法，其特征在于，将所述浸渍有无机封孔剂的涂层静置6-48小时后，在100-400℃进行固化处理2-12小时。