CN109396579A - 一种FeAl金属间化合物抗垢涂层及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料表面技术领域，公开了一种FeAl金属间化合物抗垢涂层及制备方法，涂层包括45号钢基体、由内而外依附在45号钢基体表面的功能层和微纳结构层；功能层为FeAl金属间化合物涂层；微纳结构层为电火花微纳结构表面；制备方法包括：清洁基体、45号钢基体装夹和电极安装、电火花沉积制备功能层和电火花线切割制备微纳结构层，加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗。本发明的功能层含有Fe（Al）、Fe3Al或FeAl2中的一种或以上，涂层的污垢诱导期较光滑表面的45号钢延长了35%‑47%，涂层平均显微硬度为357.2‑539.4HV。
Description
技术领域
本发明属于材料表面技术领域，尤其涉及一种FeAl金属间化合物抗垢涂层及制备方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
换热器表面长期浸泡在换热介质中工作，随着工作时间的增加，换热介质中的杂质将附着在换热表面并固化成一层物质，这层物质主要有生物质、结晶体和油泥混合物组成，通常称为污垢物质。附着在换热表面的污垢物质将增加换热表面的热阻，降低换热设备的换热效率，从而降低换热设备的实际工作效率，造成不必要的功耗浪费。
近些年，工程技术人员通过换热表面改性技术调整换热表面特性，如疏水性、耐蚀性和表面粗糙度等方面，抑制换热介质中污垢在换热表面上附着。常见的表面改性技术分为化学法和物理法制备。对于化学法制备的抗垢涂层，如溶胶-凝胶法（201010140710.6）、化学镀（201010237092.7）或自组装（201310019338.7、201610235587.3）等，其制备过程涉及化学药品，其涂层表面的残留物和制备废弃物将对换热介质和周边环境造成污染；其制备过程较复杂，相应的工序处理较多；另外涂层中填入PPS、PTFE等高分子材料降低表面能，达到抑制污垢附着的目的，但这些填料由于热阻较大而降低换热效率；涂层与基体的结合力不足，也是影响抗垢涂层使用寿命重要因素。而对于物理法制备的抗垢涂层，还未见有相关的专利资料；而目前研究人员通过磁控溅射、微纳激光加工方法在表面构建具有疏水性能的微纳结构，从而抑制换热介质中污垢的附着。但物理法制备设备造价较高，并且设备所用能耗较大，难以实现工业化生产。
FeAl金属间化合物具有比常规不锈钢、耐热钢和高温合金钢优异的力学性能、耐腐蚀性和抗氧化性，在众多工业领域得到应用。技术人员通过火焰喷涂法、等离子喷涂、冷喷涂、机械合金法和激光烧结法在基体表面制备了FeAl金属间化合物涂层，使FeAl金属间化合物在耐磨领域、耐腐蚀领域得到广泛的应用。而FeAl金属间化合物涂层在抗垢领域的研究则尚未见有报道，相应的专利也未见有。通过电火花沉积制备FeAl金属间化合物功能涂层，然后采用电火花线切割技术在功能涂层上加工微尺度。而目前制备FeAl金属间化合物涂层的方法存在粉尘污染、高能耗、高投入等缺点，对实施操作的人员也带来相应的健康伤害。经过对现有技术的检索，通过电火花沉积制备FeAl金属间化合物涂层的专利仅有一件，专利授权号为CN106245023B。该授权专利公开了一种含铁铝金属间化合物表面改性层及其制备方法，适用于在金属基体表面制备耐磨耐腐蚀的铁铝金属间化合物改性层。但该专利适用在耐磨、耐腐蚀领域，并不适用于换热面抗垢领域。因此，有必要考虑开发一种健康、环保、成本较低的方法用于制备FeAl金属间化合物抗垢涂层。
综上所述，现有技术存在的问题是：
（1）通过化学法制备抗垢涂层，使得制备过程中存在废弃物污染、换热介质污染、涂层与基体结合力不足、制备工艺复杂和换热效率低下等缺点，无法适用于换热面实际抗垢应用中。
（2）通过物理法制备抗垢涂层，则由于制备设备造价较高，并且膜基结合力不足，易脱落而不适用于实际应用。
（3）在常规制备FeAl金属间化合物涂层的方法中，存在粉尘污染、高能耗、高投入等缺点；而仅仅通过电火花沉积制备的FeAl金属间化合物涂层并不适用于换热抗垢领域。
解决上述技术问题的难度和意义：
难度在于：抗垢涂层的使用寿命短；涂层制备设备造价高；换热表面传热系数低；涂层表面对水介质的疏水性能低；绿色环保性能差。这是现有技术解决的难度。
解决上述难度后，带来的意义为：
（1）通过本发明的实施，提高抗垢涂层与基体的结合力，并提高抗垢涂层的耐蚀性，避免受换热介质的腐蚀而造成抗垢涂层脱落，延长抗垢涂层的使用寿命。
（2）通过本发明的实施，可在换热表面上简便制备抗垢涂层，涂层制备设备造价较低，可以较低成本制备抗垢涂层，为工业化生产奠定基础。
（3）通过本发明的实施，降低抗垢涂层热阻的同时，在应用过程中可降低换热表面污垢热阻，提高了换热表面传热系数，具有较好的工业应用前景。
（4）通过本发明的实施，解决常规工艺制备的FeAl金属间化合物涂层表面疏水性较低的问题，提高了涂层表面对水介质的接触角度和疏水性能，为FeAl金属间化合物涂层在抗垢领域的应用提供了技术支持。
（5）通过本发明的实施，加工制备过程无废弃物产生和残留，避免对周边环境和换热介质的污染；并且加工介质可循环使用，降低制造成本的同时降低对人体的伤害，达到绿色环保、安全生产的目的。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种FeAl金属间化合物抗垢涂层及制备方法。本发明的目的在于克服现有技术中抗垢涂层与基体结合力不足、涂层热阻较大、容易脱落和制备成本较高的问题，研制设计一种以传热性能较高的金属材料为基础，且可实现工业化生产的抗垢涂层及方法。
本发明是这样实现的，一种FeAl金属间化合物抗垢涂层，所述FeAl金属间化合物抗垢涂层设置有
45号钢基体；
以及内而外依附在45号钢基体表面的FeAl金属间化合物抗垢涂层。所述的FeAl金属间化合物抗垢涂层包括功能层和微纳结构层；功能层厚度为18.23-29.44μm。
进一步，微纳结构层为电火花微纳结构表面，结构特征包括微米尺度沟槽、微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
本发明的另一目的在于提供一种如权利要求1所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法，包括：
清洁45号钢基体：首先通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑；
45号钢基体装夹和电极安装：首先，将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；然后，将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；最后，调整电火花加工液喷嘴位置，对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处；
电火花沉积制备功能层：设置加工电流为12-18A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为60-100V，加工时间10-30分钟；
电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度为50-100μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离50-100μm；
所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层含有Fe（Al）、Fe3Al或FeAl2中的一种或以上。
加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗15分钟。
本发明的另一目的在于提供一种具有所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的换热表面。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
采用本发明方法制备的FeAl金属间化合物抗垢涂层，可有效地抑制换热介质中污垢的附着，从而降低涂层自身热阻和换热表面的污垢热阻，提高换热系数。本发明采用常规金属加工工艺，加工介质可循环使用，降低涂层制备成本；并且加工过程中无有毒有害废弃物产生和残留，避免对周边环境和换热介质的污染。
采用本发明方法制备的FeAl金属间化合物抗垢涂层包括功能层和微纳结构层。所述的功能层通过电火花沉积制备，工艺参数为：加工电流为12-18A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为60-100V，加工时间10-30分钟。所述的微纳结构层通过电火花线切割制备，加工沟槽宽度为50-100μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离50-100μm。FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层以Fe（Al）和Fe3Al为主相，Fe7C3为第二相。
采用本发明制备的FeAl金属间化合物抗垢涂层的污垢诱导期较光滑表面的45号钢延长了35%-47%，涂层平均显微硬度为357.2-539.4HV。
附图说明
图1是本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层结构图。
图中：1、45号钢基体；2、功能层；3、微纳结构层。
图2是本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法流程图。
图3是是本发明实施例提供的实施例1制得的抗垢涂层在2000倍下的扫描电子显微镜照片。
图4是本发明实施例提供的实施例1制得的抗垢涂层截面在500倍下的扫描电子显微镜照片。
图5是本发明实施例提供的实施例1制得的抗垢涂层XRD检测结果。
图6是本发明实施例提供的实施例1制得的抗垢涂层的污垢热阻随时间变化的曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有技术中，制备的抗垢涂层存在涂层与基体结合力不足、涂层热阻较大、容易脱落和制备成本较高的问题。
下面结合附图对本发明的应用作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，包括45号钢基体1、由内而外依附在45号钢基体1表面的功能层2和微纳结构层3，所述的功能层2为FeAl金属间化合物涂层，其厚度为18.23-29.44μm；所述的微纳结构层3为电火花微纳结构表面，其结构特征包括微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
如图2，本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层制备方法包括：
S101：清洁基体：首先通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑即可。
S102：45号钢基体装夹和电极安装：首先，将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；然后，将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；最后，调整电火花加工液喷嘴位置，将其对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处。
S103：电火花沉积制备功能层：设置加工电流为12-18A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为60-100V，加工时间10-30分钟。
S104：电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度为50-100μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离50-100μm；
S105：加工完毕后将：45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗15分钟即可。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
具体实施例1：
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，包括45号钢基体、由内而外依附在45号钢基体表面的功能层和微纳结构层，所述的功能层为FeAl金属间化合物涂层，其厚度为28.15μm；所述的微纳结构层为电火花微纳结构表面，其结构特征包括微米尺度沟槽、微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其处理工艺如下：
（1）清洁45号钢基体：首先通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑即可。
（2）45号钢基体装夹和电极安装：首先，将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；然后，将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；最后，调整电火花加工液喷嘴位置，将其对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处。
（3）电火花沉积制备功能层：设置加工电流为12A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为60V，加工时间10分钟。
（4）电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度为50μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离100μm。
所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层含有Fe（Al）和Fe3Al为主相，Fe7C3为第二相。
（5）加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗15分钟即可。
采用本发明的方法制备的涂层的污垢诱导期较光滑表面的45号钢延长了35%，涂层平均显微硬度为477.3HV。
具体实施例2：
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其特征在于，包括45号钢基体、由内而外依附在45号钢基体表面的功能层和微纳结构层，所述的功能层为FeAl金属间化合物涂层，其厚度为18.23μm；所述的微纳结构层为电火花微纳结构表面，其结构特征包括微米尺度沟槽、微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其处理工艺如下：
（1）清洁基体：首先通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑即可。
（2）45号钢基体装夹和电极安装：首先，将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；然后，将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；最后，调整电火花加工液喷嘴位置，将其对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处。
（3）电火花沉积制备功能层：设置加工电流为18A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为100V，加工时间30分钟。
（4）电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度为100μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离100μm。
所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层含有Fe（Al）和Fe3Al为主相，Fe7C3和FeC为第二相。
（5）加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗15分钟即可。
采用本发明的方法制备的涂层的污垢诱导期较光滑表面的45号钢基体延长了47%，涂层平均显微硬度为357.2HV。
具体实施例3：
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其特征在于，包括45号钢基体、由内而外依附在45号钢基体表面的功能层和微纳结构层，所述的功能层为FeAl金属间化合物涂层，其厚度为29.44μm；所述的微纳结构层为电火花微纳结构表面，其结构特征包括微米尺度沟槽、微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
本发明实施例提供的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其处理工艺如下：
（1）清洁基体：首先通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑即可。
（2）45号钢基体装夹和电极安装：首先，将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；然后，将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；最后，调整电火花加工液喷嘴位置，将其对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处。
（3）电火花沉积制备功能层：设置加工电流为14A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为80V，加工时间20分钟。
（4）电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度为50μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离80μm。
所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层含有Fe（Al）、FeAl2和Fe3Al为主相，Fe7C3和FeC为第二相。
（5）加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗15分钟即可。
采用本发明的方法制备的涂层的污垢诱导期较光滑表面的45号钢延长了41%，涂层平均显微硬度为539.4HV。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法，其特征在于，所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法包括：
清洁45号钢基体：通过320目的金相砂纸对45号钢基体表面进行打磨，清除表面的氧化层和锈蚀层；然后45号钢基体采用煤油冲洗打磨后的表面，清除表面磨屑；
45号钢基体装夹和电极安装：将清洁好的45号钢基体装夹在电火花成型机的工作台上；将FeAl合金电极安装在电火花成型机的夹具上；调整电火花加工液喷嘴位置，对准需用电极沉积涂层的45号钢基体表面处；
电火花沉积制备功能层和微纳结构层：设置加工电流、间隙电压、加工时间；
电火花线切割制备微纳结构层：设置加工沟槽宽度，沟槽深度，沟槽之间距离；
加工完毕后将45号钢基体取出，用去离子水、乙醇溶液分别超声清洗。
2.如权利要求1所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法，其特征在于， FeAl金属间化合物抗垢涂层的功能层含有Fe（Al）、Fe3Al或FeAl2中的一种或以上。
3.如权利要求1所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法，其特征在于，电火花沉积制备功能层中，设置加工电流为12-18A，脉宽为50μs，占空比为20%，间隙电压为60-100V，加工时间10-30分钟；
电火花线切割制备微纳结构层中，设置加工沟槽宽度为50-100μm，沟槽深度为10μm，沟槽之间距离50-100μm。
4.一种利用权利要求1所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的制备方法制备的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其特征在于，所述FeAl金属间化合物抗垢涂层设置有：
45号钢基体；
以及内而外依附在45号钢基体表面的FeAl金属间化合物抗垢涂层；所述的FeAl金属间化合物抗垢涂层包括功能层和微纳结构层；功能层厚度为18.23-29.44μm。
5.如权利要求4所述的FeAl金属间化合物抗垢涂层，其特征在于，
微纳结构层为电火花微纳结构表面，结构特征包括微米尺度沟槽、微坑、纳米孔、熔珠、重熔区。
6.一种涂覆有权利要求4所述FeAl金属间化合物抗垢涂层的换热表面。
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2018
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