CN107353676A - 一种透平机械产品用复合涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透平机械产品用复合涂层及其制备方法，复合涂层包括无机粘结底层和无机陶瓷基顶层，无机粘结底层涂料的原料包括：铝粉30‑70份，无机磷酸盐或/和磷酸20‑50份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐10‑20份；无机陶瓷基顶层涂料的原料包括：无机磷酸盐或/和磷酸50‑80份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐15‑30份，铝粉0‑15份，添加剂0‑5份。复合涂层的制备方法包括浆料配制和涂覆。本发明的复合涂层，具有良好的耐腐蚀性和耐冲蚀能力，高温下的抵抗力较强，具有良好的平整度、均匀性和连续性。

Description

一种透平机械产品用复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种透平机械产品用复合涂层及其制备方法。
背景技术
金属腐蚀是自然界普遍存在的一种自然现象，是金属材料和周围环境发生化学或者电化学的作用而被破坏的现象。每年由于金属腐蚀产生的直接经济损失占国民生产总值的3％左右，因此，金属的腐蚀与防护关系到整个国民经济的可持续发展。同时，对于某些设备来说，除腐蚀之外还对表面光洁度和平整性有要求，例如透平压缩机或者汽轮机，其在运转时必须要有良好的气动性能，而光滑的涂层表面对气动性能的优势非常明显。但是涂层的效果再好，如果易被周围环境颗粒磨损，那么事实上其原有功能就会发挥不出应有的作用，然而透平机械领域的工况环境经常会有各类冲蚀情况发生，如透平压缩机的小颗粒冲蚀，蒸汽轮机的汽蚀等，因而一种具有防腐蚀、耐冲蚀的保护涂层对于某些机械产品来说非常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是透平机械产品表面涂层容易被磨损、腐蚀等问题，提供一种透平机械产品用复合涂层及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种透平机械产品用复合涂层，包括无机粘结底层和无机陶瓷基顶层；
无机粘结底层涂料的原料包括：铝粉30-70份，无机磷酸盐或/和磷酸20-50份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐10-20份；
无机陶瓷基顶层涂料的原料包括：无机磷酸盐或/和磷酸50-80份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐15-30份，铝粉0-15份，添加剂0-5份。
进一步地，所述无机粘结底层涂料和所述无机陶瓷基顶层涂料均为水性涂料。
进一步地，所述添加剂为金属缓蚀剂、非离子表面活性剂、调色颜料中的一种或多种。
进一步地，所述铝粉的粒度为5-10μm。
上复合涂层的制备方法，包括：
(1)底层制备
配制浆料：按照配比取底层原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；
涂覆：第一遍涂覆：将底层浆料涂覆到基体金属上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h；导电处理；第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同；
(2)顶层制备
配制浆料：按照配比取顶层原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；
涂覆：将顶层浆料涂覆到底层上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h。
进一步地，水与底层原料的质量比为10：8-15。
进一步地，与顶层原料的质量比为10：4-7。
进一步地，所述底层的厚度为10-40μm，所述顶层的厚度为3-10μm。
进一步地，所述顶层制备，其中涂覆采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式控制流量。
进一步地，所述涂覆，包括浸润、滚涂、刷涂和喷涂。
本发明提供的透平机械产品用复合涂层及其制备方法，无机粘结底层是由无机聚合物基体和其间嵌入的铝粉颗粒组成，由于金属铝被无机聚合物基体分割，因而固化后的底层并不导电，需要进行导电处理，导通后该涂层可以为基体材料提供自牺牲保护功能，从而使基材免受介质腐蚀；顶层反应物在固化时可以渗透填充进底层的表面孔隙中起到密封作用，同时无机陶瓷基顶层非常致密可以有效防止或缓解腐蚀介质向下渗透从而起到保护作用。
同时，本发明的复合涂层耐冲蚀能力较强，高温下的抵抗力较强，具有良好的平整度、均匀性和连续性，有利于气动性能，可以用在透平压缩机、蒸汽轮机等领域，从而有效的降低机组运行时污染物腐蚀和不明颗粒冲蚀的风险，有助于提高机组的运行安全性和使用寿命。
具体实施方式
本发明实施例提供一种透平机械产品用复合涂层。
一种透平机械产品用复合涂层，包括无机粘结底层和无机陶瓷基顶层，无机粘结底层为自牺牲层，无机陶瓷基顶层为密封层；
无机粘结底层涂料的原料包括：铝粉30-70份，无机磷酸盐或/和磷酸20-50份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐10-20份；
无机陶瓷基顶层涂料的原料包括：无机磷酸盐或/和磷酸50-80份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐15-30份，铝粉0-15份，添加剂0-5份。
所述无机粘结底层涂料和所述无机陶瓷基顶层涂料均为水性涂料。
所述添加剂为金属缓蚀剂、非离子表面活性剂、调色颜料中的一种或多种，也可以不添加；其中金属缓蚀剂又称腐蚀抑制剂，可以有助于进一步增强涂层的耐腐蚀性，非离子表面活性剂在溶液中的稳定性高，能够降低溶液的表面张力，提高涂料的润湿性，调色颜料即着色剂的主要作用是根据实际或用户要求调整涂层的外观颜色。
所述Al粉的粒度小于40μm，粒度在5-10μm的Al粉效果更佳。由于粒度在5-10μm粒径的铝粉与无机盐结合后的综合效果最理想，涂层致密且表面质量好。
上述复合涂层的制备方法，包括：底层制备和顶层制备；
(1)底层制备
a配制浆料
按照配比取底层原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；水与底层原料的质量比为10：8-15。底层溶液稀了或者稠了都会影响涂层的质量，也不容易施工。
b涂覆
第一遍涂覆：将底层浆料涂覆到基体金属上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h；
导电处理：可采用加热或机械方法进行导电处理。加热是一种很常用的导通手段，利用加热时涂层原料的熔融和烧结反应来实现导电，方法为在炉中加热到500-550℃之间，保温一段时间；机械方法进行导电处理如喷砂或研磨；导电处理完成后，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同；
所述涂覆的方式包括：浸润、滚涂、刷涂和喷涂。
由于自牺牲层主要由金属Al组成，它的活性大于基体材料，因而当金属处发生腐蚀时，腐蚀介质优先与Al反应而不会腐蚀金属基体。在导电处理后的涂层上进行第二遍涂覆，第二遍涂覆的涂层固化后不用做导电处理，第二遍底层涂覆对涂层体系防腐能力的提升具有显著作用，第二遍涂覆可以缓解自牺牲底层的过度消耗，减缓反应速度，同时作为自牺牲底层和顶层之间的过渡，能够减少分层现象的出现。
(2)顶层制备
配制浆料：按照配比取原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；水与顶层原料的质量比为10：4-7，顶层溶液稀了或者稠了都会影响涂层的质量，也不容易施工。
涂覆：将顶层浆料涂覆到底层上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h。其中，固化时间与温度有关，固化温度越高，所需时间越短。
所述顶层制备，其中涂覆采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式，控制流量保证表面质量；所述涂覆，包括浸润、滚涂、刷涂和喷涂。
顶层是陶瓷基无机密封顶层，固化反应后陶瓷材料具有完全的耐腐蚀性，同时具有一定厚度的致密陶瓷顶层会明显阻止或延缓腐蚀介质向下层渗入，同时它能够渗入到底层铝粉与无机物之中密封底层原有的微小孔隙，封闭腐蚀介质向内部扩散的通道，提高整个涂层的致密度，因而整体来看顶层具备优异的保护功能，是整个体系非常重要的一部分。
所述无机粘结底层厚度10-40μm，所述无机陶瓷基顶层厚度为3-10μm，总厚度控制在13-50μm，特殊情况下厚度适当提高，但总厚度不超过100μm。涂层厚度不够就不会充分发挥出涂层的防腐效果，包括底层的自牺牲性和顶层的防渗透及腐蚀抑制特性，厚度超过50μm以上，涂层的结合情况会逐渐变差。因此需要控制涂层厚度，当实际应用环境对涂层的结合强度要求不高并且对涂层的防腐能力有较高要求时，涂层厚度可以适当增加，但是不能超过上限，因为涂层过厚会使固化后的涂层物理性质出现严重下降，如涂层结合性非常差、涂层可能开裂等。
实施例1
(一)复合涂层的原料配比
以碳钢为基体，底层原料配比如下：
顶层原料配比分别为：
(二)复合涂层的制备方法
1、底层制备
a、配制浆料
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加CrO3、H3PO4和MgO，搅拌均匀使原料充分反应，然后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、第一遍涂覆：将底层浆料喷涂到基体金属上，室温下晾干，在干燥箱中80℃烘干20min，然后在低温炉中260℃固化1h；
c、导电处理：使用细砂纸打磨涂层表面，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
d、第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同。
底层厚度为10μm。
2、顶层制备
a、配制浆料：
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加CrO3、H3PO4、MgO和添加剂，搅拌均匀使原料充分反应，然后用325目筛过滤。
b、涂覆：将顶层浆料采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式喷涂到底层上，晾干，干燥方式为80℃烘干20min，最后260℃固化2h。
顶层厚度为5μm。
(三)复合涂层的性能
复合涂层的性能情况详见表1。
实施例2
(一)复合涂层的原料配比
以碳钢为基体，底层原料配比如下：
顶层原料配比分别为：
(二)复合涂层的制备方法
1、底层制备
a、配制浆料
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加CrO3、磷酸和MgO，搅拌均匀使原料充分反应，然后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、第一遍涂覆：将底层浆料喷涂到基体金属上，室温下晾干，在干燥箱中100℃烘干20min，然后在低温炉中350℃固化0.5h；
c、导电处理：使用细砂纸打磨涂层表面，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
d、第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同。
底层厚度为20μm。
2、顶层制备
a、配制浆料：
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加CrO3、磷酸、MgO和添加剂，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、涂覆：将顶层浆料采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式喷涂到底层上，晾干，干燥方式为100℃烘干20min，最后350℃固化0.5h。
顶层厚度为10μm。
(三)复合涂层的性能
复合涂层的性能情况详见表1。
实施例3
(一)复合涂层的原料配比
以合金钢为基体，底层原料配比如下：
顶层原料配比分别为：
(二)复合涂层的制备方法
1、底层制备
a、配制浆料
首先倒入蒸馏水，而后按照顺序依次添加MgCrO4·7H2O、磷酸和Mg(H2PO4)2·3H2O，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、第一遍涂覆：将底层浆料喷涂到基体金属上，室温下晾干，在干燥箱中100℃烘干30min，然后在低温炉中300℃固化1h；
c、导电处理：使用细砂纸打磨涂层表面，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
d、第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同。
底层厚度为30μm。
2、顶层制备
a、配制浆料：
首先倒入蒸馏水，而后按照顺序依次添加MgCrO4·7H2O、磷酸、Mg(H2PO4)2·3H2O和添加剂，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤。
b、涂覆：将顶层浆料采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式喷涂到底层上，晾干，干燥方式为100℃烘干20min，最后300℃固化1h。
顶层厚度为7μm。
(三)复合涂层的性能
复合涂层的性能情况详见表1。
实施例4
(一)复合涂层的原料配比
以321不锈钢为基体，底层原料的配比如下：
顶层原料配比分别为：
(二)复合涂层的制备方法
1、底层制备
a、配制浆料
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加MgCrO4·7H2O、磷酸和Mg(H2PO4)2·3H2O，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、第一遍涂覆：将底层浆料喷涂到基体金属上，室温下晾干，在干燥箱中90℃烘干15min，然后在低温炉中320℃固化0.5h；
c、导电处理：使用细砂纸打磨涂层表面，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
d、第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同。
底层厚度为35μm。
2、顶层制备
a、配制浆料：按照表1配比取原料，用1000mL去离子水溶解搅拌均匀后，用325目筛子过滤掉大颗粒和杂质。
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加MgCrO4·7H2O、磷酸、Mg(H2PO4)2·3H2O和添加剂，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、涂覆：将顶层浆料采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式喷涂到底层上，晾干，干燥方式为90℃烘干15min，最后350℃固化0.5h。
顶层厚度为10μm。
(三)复合涂层的性能
复合涂层的性能情况详见表1。
实施例5
(一)复合涂层的原料配比
以321不锈钢为基体，底层原料配比如下：
顶层原料配比分别为：
(二)复合涂层的制备方法
1、底层制备
a、配制浆料
首先倒入蒸馏水，按照顺序依次添加MgCr2O7·6H2O、磷酸和Mg(H2PO4)2·3H2O，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、第一遍涂覆：将底层浆料喷涂到基体金属上，室温下晾干，在干燥箱中80℃烘干15min，然后在低温炉中260℃固化1h；
c、导电处理：使用细砂纸打磨涂层表面，使用万用表测量涂层表面的电阻值，两根表笔的距离在25mm的距离内，电阻值小于15欧姆合格。
d、第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同。
底层厚度为40μm。
2、顶层制备
a、配制浆料：
首先倒入蒸馏水，而后按照顺序依次添加MgCr2O7·6H2O、磷酸、Mg(H2PO4)2·3H2O和添加剂，搅拌均匀使原料充分反应，而后用325目筛过滤，之后慢慢添加铝粉同时搅拌溶液，在所有原料配制完成后再用325目筛子过滤。
b、涂覆：将顶层浆料采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式喷涂到底层上，晾干，干燥方式为80℃烘干15min，最后260℃固化2h。
顶层厚度为10μm。
(三)复合涂层的性能
复合涂层的性能情况详见表1。
实施例6
除了Al粉的粒度为15-20μm以外，底层厚度为40，顶层厚度为20，其余完全与实施例1相同。复合涂层性能详见表1。
实施例7
除了Al粉的粒度为35-40μm以外，底层厚度为55，顶层厚度为40，其余完全与实施例2相同。复合涂层性能详见表1。
表1实施例1-5制备的复合涂层的性能情况
从表1可以看出，实施例1-5制备的复合涂层，最高使用温度可达565℃，使用pH值在3-9间，复合涂层表面粗糙度低，底层与基体化学结合好，涂层之间的结合性好，塑性好，以及优异的耐腐蚀性和耐冲蚀能力。实施例6-7制备的复合涂层，在适合pH、表面粗糙度、结合强度、塑性和耐腐蚀性能等方面均较实施例1-5差。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种透平机械产品用复合涂层，其特征在于，
包括无机粘结底层和无机陶瓷基顶层；
无机粘结底层涂料的原料包括：铝粉30-70份，无机磷酸盐或/和磷酸20-50份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐10-20份；
无机陶瓷基顶层涂料的原料包括：无机磷酸盐或/和磷酸50-80份，铬酸酐、铬酸盐或/和重铬酸盐15-30份，铝粉0-15份，添加剂0-5份。
2.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述无机粘结底层涂料和所述无机陶瓷基顶层涂料均为水性涂料。
3.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述添加剂为金属缓蚀剂、非离子表面活性剂、调色颜料中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述铝粉的粒度为5-10μm。
5.权利要求1-4任一所述复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：
(1)底层制备
配制浆料：按照配比取底层原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；
涂覆：第一遍涂覆：将底层浆料涂覆到基体金属上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h；导电处理；第二遍涂覆：与第一遍涂覆工艺相同；
(2)顶层制备
配制浆料：按照配比取顶层原料，用水溶解搅拌均匀后，过滤；
涂覆：将顶层浆料涂覆到底层上，晾干，80-100℃烘干15-30min，然后260-350℃固化0.5-2h。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：水与底层原料的质量比为10：8-15。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：水与顶层原料的质量比为10：4-7。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述底层的厚度为10-40μm，所述顶层的厚度为3-10μm。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述顶层制备，其中涂覆采用涂覆—干燥—涂覆的循环方式控制流量。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述涂覆，包括浸润、滚涂、刷涂和喷涂。
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