CN105369187B - 一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法 - Google Patents

一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，包括：将哈氏合金纳米粉加入水和分散剂，混合得到胶状物，搅拌，风干，得到团聚体颗粒；将上述团聚体颗粒进行等离子喷涂，喷涂结束后冷却，再进行重熔处理，冷却，即得。本发明工艺简单，效果明显，对环境无污染，且投入成本较低，适宜工业化大规模生产。

Description

一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的 方法
技术领域
本发明属于纳米合金涂层的制备领域，特别涉及一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法。
背景技术
哈氏合金(HASTELLOY alloys)是目前世界公认的顶级抗腐蚀合金，其广泛应用于需要耐酸碱腐蚀设备的关键部件中，如金属酸洗设备、烟气脱硫净气器及核燃料再处理、垃圾焚烧等设备。在哈氏合金系列中，C-276哈氏合金由于铬、钼、钨或铌的含量较高、合金化程度较高，因此其耐酸碱腐蚀性能尤佳，是目前耐酸碱材料的最优材料，然而，由于C-276哈氏合金块材制备成本较高，因此限制了其大规模工业化应用。
等离子喷涂技术是将粉末材料送入等离子体(射频放电)中或等离子射流(直流电弧)中，使粉末颗粒在其中加速、熔化或部分熔化后，在冲击力的作用下，在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。它具有生产效率高，制备的涂层质量好，喷涂的材料范围广，成本低等优点。但涂层结构疏松、孔洞及裂纹的大量存在严重影响了等离子涂层的防腐蚀性能，在腐蚀环境中，腐蚀介质可穿透微孔洞及裂纹直接接触到被防护基体，从而使涂层丧失防护性能，该现象是目前等离子技术面临的主要问题。
随着纳米技术研究的不断深入，纳米粉体的应用越来越普遍，且由于机械合金化法制备纳米粉体技术的日益成熟，纳米粉体的制备成本也大幅度下降，这为纳米粉体在工业化大规模使用提供了前提条件。纳米技术与等离子技术相结合，采用纳米粉体作为等离子喷涂材料已成为等离子喷涂技术领域最新的研究课题，从目前纳米粉体在等离子喷涂技术应用研究情况来看，目前在热障涂层领域研究较为领先，且已经取得一定的效果，但从腐蚀领域来看，目前这一技术的研究还较为滞后。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，本发明工艺简单，效果明显，对环境无污染，且投入成本较低，适宜工业化大规模生产。
本发明的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，包括：
(1)将哈氏合金纳米粉加入水和分散剂，混合得到胶状物，搅拌，风干，得到团聚体颗粒；
(2)将上述团聚体颗粒进行等离子喷涂，喷涂结束后冷却，再进行重熔处理，冷却，即得耐酸碱纳米哈氏合金涂层。
所述步骤(1)中哈氏合金纳米粉为化学纯C-276哈氏合金纳米粉体。
所述步骤(1)中分散剂为聚丙烯酸。
所述步骤(1)中胶状物中固态物质的质量百分数为10-60％。
所述步骤(1)中搅拌时间为5-60min；风干为：热风机对胶状物进行风干，风干水的效率为5-8kg/h。
步骤(2)中等离子体喷涂的喷涂气体为氩气和辅助气体，其中辅助气体为氦气与氢气，其中氦气与氢气的体积比为10-45:100。
所述步骤(2)中等离子喷涂在低碳钢表面。
所述步骤(2)中重熔处理具体为：升温速度为5-8℃/min，升温至1000℃-1200℃，保温40min-60min。
步骤(2)重熔处理后随炉冷却。
采用纳米等离子喷涂技术制备等离子涂层，由于纳米粉体小尺寸效应及高能效应，纳米等离子涂层较微米等离子涂层具有更少更小的孔洞，更少的裂纹及更致密的涂层结构，从而极大提高的涂层对基体的防护作用，尤其在防腐蚀领域内体现出其优越的耐腐蚀性能。
但由于纳米粉体质量较小，流动性较差，纳米粉体在喷涂时必须先对其进行团聚处理，由几千个纳米粒子团聚成一个粒子，这样在喷涂时团聚体在快速熔化过程中其内部的纳米颗粒无法充分熔化，所以在纳米等离子涂层中出现熔化部分与未完全熔化部分共存的情况，未熔化部分仍然以纳米尺寸的形式存在，这样，在熔化部分与未熔化部分及未熔化部分与未熔化部分的结合界面上，不可避免的存在微裂纹及微孔洞，这是影响纳米等离子涂层性能的一个重要缺陷。另外，由于等离子喷涂是在大气中进行，所以在喷涂过程中部分纳米颗粒必然被氧化，从而形成氧化物参杂在涂层中，这也是影响纳米等离子涂层性能的一个重要因素。
整体重熔技术是将样品整体进行热处理的过程，将样品加热至涂层材料固相与液相范围内的某一个温度，从而使涂层出于板熔融状态，使涂层中原子发生大量的渗透，通过原子的渗透填充涂层中的裂纹及孔洞，有效减少涂层中存在的裂纹及孔洞，是涂层结构更加致密均匀。
有益效果
(1)本发明将纳米技术、等离子喷涂技术及整体重熔技术进行有效结合，各工艺优势互补，制备的纳米涂层结构致密均匀，基本消除了涂层中的孔洞及裂纹，解决了纳米等离子涂层的一个重要缺陷问题，极大的提高了该涂层的耐酸碱腐蚀性能；
(2)本发明在氢气气氛下对样品进行重熔处理，在重熔的过程中对样品进行强还原处理，从而使在喷涂过程中被氧化的材料得到还原，提高了涂层材料的纯净度；
(3)本专利制备的C-276哈氏合金涂层具有很好的致密性，可很好的防护基体受到酸碱介质的腐蚀，可在一定范围内替代哈氏合金，这有效解决了因C-276哈氏合金造价昂贵而不乏大规模使用的问题；
(4)本发明工艺简单，效果明显，对环境无污染，且投入成本较低，适宜工业化大规模生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将市售化学纯C-276哈氏合金纳米粉体加入水及聚丙烯酸分散剂(体积可忽略不计)，使其混合物成为胶状物，胶状物中固态物质的体积分数为15％，使用机械搅拌法对胶状物搅拌15min。搅拌结束后使用热风机对胶状物进行风干，热风机风干水的效率为7kg/h，风干后得到粒径为10μm-80μm形状为圆形的团聚体颗粒，这些颗粒流动性好，适合作为等离子喷涂材料。等离子喷涂过程中氩气作为主要的喷涂气体，氦气与氢气作为辅助喷涂气体，氦气与氢气的比值为10％，通过该方法将团聚体颗粒喷涂于Q235低碳钢表面。将制备好的样品置于高温管式炉内，氢气作为热处理气氛，将样品加热至1000℃，保温40min，保温结束后，样品随炉冷却。
实施例2
将市售化学纯C-276哈氏合金纳米粉体加入水及聚丙烯酸分散剂(体积可忽略不计)，使其混合物成为胶状物，胶状物中固态物质的体积分数为25％，使用机械搅拌法对胶状物搅拌25min。搅拌结束后使用热风机对胶状物进行风干，热风机风干水的效率为7kg/h，风干后得到粒径为10μm-80μm形状为圆形的团聚体颗粒,并将这些颗粒作为等离子喷涂材料。等离子喷涂过程中氩气作为主要的喷涂气体，氦气与氢气作为辅助喷涂气体，氦气与氢气的比值为15％。通过该方法将团聚体颗粒喷涂于Q235低碳钢表面。将制备好的样品置于高温管式炉内，氢气作为热处理气氛，将样品加热至1050℃，保温45min，保温结束后，样品随炉冷却。
实施例3
将市售化学纯C-276哈氏合金纳米粉体加入水及聚丙烯酸分散剂(体积可忽略不计)，使其混合物成为胶状物，胶状物中固态物质的体积分数为30％，使用机械搅拌法对胶状物搅拌35min。搅拌结束后使用热风机对胶状物进行风干，热风机风干水的效率为7kg/h，风干后得到粒径为10μm-80μm形状为圆形的团聚体颗粒，并将这些颗粒作为等离子喷涂材料。等离子喷涂过程中氩气作为主要的喷涂气体，氦气与氢气作为辅助喷涂气体，氦气与氢气的比值为25％。通过该方法将团聚体颗粒喷涂于Q235低碳钢表面。将制备好的样品置于高温管式炉内，氢气作为热处理气氛，将样品加热至1100℃，保温50min，保温结束后，样品随炉冷却。
实施例4
将市售化学纯C-276哈氏合金纳米粉体加入水及聚丙烯酸分散剂(体积可忽略不计)，使其混合物成为胶状物，胶状物中固态物质的体积分数为35％，使用机械搅拌法对胶状物搅拌45min。搅拌结束后使用热风机对胶状物进行风干，热风机风干水的效率为7kg/h，风干后得到粒径为10μm-80μm形状为圆形的团聚体颗粒，将这些颗粒作为等离子喷涂材料。等离子喷涂过程中氩气作为主要的喷涂气体，氦气与氢气作为辅助喷涂气体，氦气与氢气的比值为35％。通过该方法将团聚体颗粒喷涂于Q235低碳钢表面。将制备好的样品置于高温管式炉内，氢气作为热处理气氛，将样品加热至1150℃，保温55min，保温结束后，样品随炉冷却。
实施例5
将市售化学纯C-276哈氏合金纳米粉体加入水及聚丙烯酸分散剂(体积可忽略不计)，使其混合物成为胶状物，胶状物中固态物质的体积分数为40％，使用机械搅拌法对胶状物搅拌50min。搅拌结束后使用热风机对胶状物进行风干，热风机风干水的效率为7kg/h，风干时间由胶状物总量及水的体积分数确定，风干后得到粒径为10μm-80μm形状为圆形的团聚体颗粒。等离子喷涂过程中氩气作为主要的喷涂气体，氦气与氢气作为辅助喷涂气体，氦气与氢气的比值为45％。通过该方法将团聚体颗粒喷涂于Q235低碳钢表面。将制备好的样品置于高温管式炉内，氢气作为热处理气氛，将样品加热至1200℃，保温60min，保温结束后，样品随炉冷却。
对每个实例处理后的样品及未喷涂哈氏合金的Q235低碳钢进行表面微观形貌及在质量分数5％的盐酸及15％的氢氧化钠溶液中进行耐腐蚀性能测试，结果如下：
表1：通过实例处理后各样品性能
有实例测试情况来看，通过本发明所制备的C-276哈氏合金纳米涂层具有很强的耐酸碱腐蚀性能。

Claims (8)

1.一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，包括：
(1)将哈氏合金纳米粉加入水和分散剂，混合得到胶状物，搅拌，风干，得到团聚体颗粒；
(2)将上述团聚体颗粒进行等离子喷涂，喷涂结束后冷却，再进行重熔处理，冷却，即得耐酸碱纳米哈氏合金涂层；其中，重熔处理具体为：升温速度为5-8℃/min，升温至1000℃-1200℃，保温40min-60min，氢气作为热处理气氛。
2.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中哈氏合金纳米粉为化学纯C-276哈氏合金纳米粉体。
3.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中分散剂为聚丙烯酸。
4.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中胶状物中固态物质的质量百分数为10-60％。
5.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：所述步骤(1)中搅拌时间为5-60min；风干为：热风机对胶状物进行风干，风干水的效率为5-8kg/h。
6.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：步骤(2)中等离子体喷涂的喷涂气体为氩气和辅助气体，其中辅助气体为氦气与氢气，其中氦气与氢气的体积比为10-45:100。
7.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：所述步骤(2)中等离子喷涂在低碳钢表面。
8.根据权利要求1所述的一种等离子喷涂及整体重熔制备耐酸碱纳米哈氏合金涂层的方法，其特征在于：步骤(2)重熔处理后随炉冷却。
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