CN110204931B - 一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层及其制备方法 - Google Patents

一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属防护涂层领域，具体为一种铝‑铬‑磷‑氧共生防护涂层及其制备方法。采用金属铝粉、氧化物、碳化硅等为填料，涂覆到金属基材上，经过热处理，制备出含有Al‑Cr‑P‑O共生结构的无机涂层，可采用但不限于EDS、EPMA等分析手段检测这种元素聚集峰，元素共聚峰的出现位置没有固定限制，元素共聚峰的个数不低于一个但不限于一个，元素共聚峰的强度没有上限。本发明制备方法操作简便，成本低，所获涂层与基材相容性好，结合力强，抗腐蚀和抗高温氧化性能良好，是一种很有前景的金属防护涂层技术。

Description

一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属防护涂层领域，具体为一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层及其制备方法。
背景技术
航空发动机和工业燃机长期处在高温、高湿、高盐雾等恶劣环境中[1]，在这种苛刻的环境下，金属及其复合材料制备的关键部件常面临严重的腐蚀问题。
无机涂层主要利用无机材料的粘结性质发展起来的一种技术[1]，无机涂层可采用具有粘结性质的高温耐火材料，添加金属、陶瓷和石墨等材料，可广泛应用于现代工业和尖端科学技术领域[2-4]。其次，由于采用粘涂工艺，涂层应力分布均匀、强度高、耐高温性能和抗磨损性能好[5]。涂层制备工艺简单，成本低[6]。配以不同功能的颜料、填料，可以制备出多种防护涂层。
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[6]赵全玺,赵立,磷酸盐-铬酸盐系牺牲性阳极涂层的防蚀性能和机理研究,海峡两岸材料腐蚀与防护研讨会,1998,九江.
发明内容
本发明的目的在于提供一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层及其制备方法，该涂层为耐腐蚀和抗氧化的无机涂层体系，涂层具有很好的防护性能，该方法操作方便，成本低。
本发明的技术方案是：
一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层，涂层中以铝源、铬源、磷源和氧源作为功能填料，涂层制备后能够生成铝、铬、磷、氧四种元素共生结构，其中：
铝源，包括但不限于球状铝粉、片状铝粉之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中Al元素含量范围在10份～60份；
铬源，包括但不限于氧化铬、三氧化二铬、碳化铬、磷酸铬、铬酸盐之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中Cr元素含量范围在5份～20份；
磷源，包括但不限于磷酸、磷酸铝、磷酸镁、磷酸铬、磷酸三甲酯、五氧化二磷之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中P元素含量范围在5份～20份；
氧源，包括但不限于空气中的氧，或者含氧化合物之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中O元素含量范围在20份～50份。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，涂层制备后含有但不限于铝、铬、磷、氧四种元素。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，含氧化合物为氧化物、磷酸盐、铬酸盐、氢氧化物之一或两种以上。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，采用但不限于EDS或EPMA分析手段检测元素聚集峰，元素共聚峰的出现位置没有固定限制，元素共聚峰的强度没有上限。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，元素共聚峰的个数不低于一个但不限于一个。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，将功能填料均匀混合10min～30min后，球磨搅拌0.5h～5h，涂覆到金属基材上，经过热处理，制备出主要结构为AlCrPO共生的无机防腐涂层。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，涂覆过程中，采用浸涂、淋涂、刷涂或喷涂。
所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，热处理过程中，保温温度为80～650℃，保温时间为0.5～10h。
本发明的设计思想是：
本发明涂层选用金属粉、氧化物、碳化物等为填料，按一定比例混合，采用浸涂、淋涂、辊涂、刷涂、喷涂等制备方法，在金属基材上制备成无机防护涂层，随后经过热处理，生成具有铝-铬-磷-氧四种元素共生结构的耐腐蚀、抗氧化防护涂层，涂层厚度范围为20～200微米。涂层中，铝、铬、磷、氧四种元素均匀分布，铝的作用是牺牲阳极保护基材；铬的作用是与涂层中元素络合起到均匀分散活性组分，减缓腐蚀；磷的作用是与其它三种元素络合形成稳定磷酸盐化合物，提高涂层致密性；氧的作用是与其它三种元素络合形成稳定化合物，保持涂层在高温腐蚀环境下稳定性。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明采用浸涂、淋涂、辊涂、刷涂、喷涂等制备方法，将含铝、铬、磷、氧的混合物粘结在金属基材表面，生成具有铝-铬-磷-氧四种元素共生结构的耐腐蚀、抗氧化防护涂层，涂层具有很好的耐腐蚀和抗高温防护效果。
2、本发明无机防护涂层的制备，原料采用氧化物颗粒、碳化物颗粒、金属粉末，混合后，涂覆到基材上，经过热处理，制备出目标涂层。涂层成分容易控制，操作简便。
3、本发明采用无机防护涂层，不需要采用大型设备，可以实现复杂构件涂层制备，操作简便，工艺可实施性优异，适用范围广。
4、本发明效率高、成本较低。
附图说明
图1为涂层表面形貌图。
图2(a)为涂层截面形貌图。
图2(b)为图2(a)中所示线段长度对应的涂层铝-铬-磷-氧共生结构电子探针X射线显微分析(EPMA)图。图中，O Kα1代表氧元素Kα1射线，Al Kα1代表铝元素Kα1射线，P Kα1代表磷元素Kα1射线，Cr Kα1代表铬元素Kα1射线，Fe Kα1代表铁元素Kα1射线，横坐标代表长度标尺(μm)，纵坐标cps代表X射线衍射强度(计数/秒)。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明铝-铬-磷-氧共生的耐腐蚀性涂层及其制备方法，采用金属铝粉、氧化物、碳化硅等为填料，涂覆到金属基材上，经过热处理，制备出含有Al-Cr-P-O共生结构的无机涂层，可采用但不限于EDS、EPMA等分析手段检测这种元素聚集峰，元素共聚峰的出现位置没有固定限制，元素共聚峰的个数不低于一个但不限于一个，元素共聚峰的强度没有上限。该涂层空隙率低，与基材相容性好，结合力强，耐腐蚀和抗高温氧化性能良好。涂层中铝源为金属粉末，包括球状铝粉、片状铝粉等各种形式的金属粉末。涂层中铬源为氧化铬、三氧化二铬、碳化铬、磷酸铬、铬酸盐等含铬化合物。涂层中磷源为磷酸、磷酸铝、磷酸镁、磷酸铬、磷酸三甲酯、五氧化二磷等含磷化合物。涂层中氧源为空气中的氧，或者含氧化合物，如：氧化物、磷酸盐、铬酸盐、氢氧化物等。
下面，通过实施例对发明进一步详细描述。
实施例1
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量20份，Cr元素含量5份，P元素含量10份，O元素含量50份。
将磷酸以及粒度为20微米的氧化铝粉、铝粉、氧化铬粉按比例混合20min，球磨搅拌0.5h，喷涂到304不锈钢基体，随后在150℃热处理2h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为50微米。如图1所示，涂层表面均匀，没有裂纹。涂层在表现出很好的耐盐雾性能。如图2(a)-(b)所示，涂层EPMA检测结果显示在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例2
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量10份，Cr元素含量15份，P元素含量20份，O元素含量40份。
将磷酸以及粒度为30微米的氧化铝粉、铝粉、氧化铬粉按比例混合20min，球磨搅拌3h，喷涂到316不锈钢基体，随后在450℃热处理2h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为70微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例3
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量50份，Cr元素含量20份，P元素含量9份，O元素含量20份。
将粒度为30微米的磷酸镁粉、氧化铝粉、铝粉、氧化铬粉按比例混合20min，球磨搅拌1h，喷涂到304不锈钢基体，随后在450℃热处理2h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为100微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例4
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量10份，Cr元素含量15份，P元素含量20份，O元素含量40份。
将粒度为10微米的磷酸铝粉、氧化铝粉、铝粉、氧化铬粉按比例混合20min，球磨搅拌1h，喷涂到304不锈钢基体，随后在450℃热处理2h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为30微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例5
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量20份，Cr元素含量10份，P元素含量15份，O元素含量40份。
将粒度为60微米的磷酸铝粉、氧化铝粉、铝粉、氧化铬粉按比例混合20min，球磨搅拌1h，喷涂到304不锈钢基体，随后在450℃热处理2h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为80微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例6
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量20份，Cr元素含量10份，P元素含量15份，O元素含量40份。
将粒度为15微米的磷酸镁粉、五氧化二磷粉、氧化铝粉、铝粉、磷酸铬粉按比例混合15min，球磨搅拌3h，刷涂到347不锈钢基体，随后在300℃热处理5h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为160微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例7
本实施例涂层中，按重量份数计，Al元素含量20份，Cr元素含量10份，P元素含量20份，O元素含量15份。
将磷酸、磷酸三甲酯以及粒度为15微米的氧化铝粉、铝粉、磷酸铬粉按比例混合25min，球磨搅拌2h，浸涂到316不锈钢基体，随后在400℃热处理3h，制备具有Al-Cr-P-O共生结构涂层，涂层厚度为60微米。涂层表面均匀，没有裂纹。涂层EPMA检测结果显示，在涂层中存在Al-Cr-P-O元素共同聚集分布状态，呈现四种元素共生的特征结构，实验结果表明涂层防护效果十分明显。
实施例结果表明，本发明制备方法操作简便，成本低，所获涂层与基材相容性好，结合力强，抗腐蚀和抗高温氧化性能良好，涂层具有很好的防护性能，是一种很有前景的金属防护的无机防腐涂层技术，此技术国内外未见报道。

Claims (6)

1.一种铝-铬-磷-氧共生防护涂层，其特征在于，涂层中以铝源、铬源、磷源和氧源作为功能填料，涂层制备后能够生成由铝、铬、磷、氧四种元素组成的共生结构，其中：
铝源，包括球状铝粉、片状铝粉中的一种或两种，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中Al元素含量范围在10份～60份；
铬源，包括氧化铬、三氧化二铬、磷酸铬之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中Cr元素含量范围在5份～20份；
磷源，包括磷酸、磷酸铝、磷酸铬、磷酸三甲酯、五氧化二磷之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中P元素含量范围在5份～20份；
氧源，包括空气中的氧，或者上述铝源、铬源、磷源中含氧化合物之一或两种以上，其中的固体粉末粒度范围为0.5微米～100微米；按重量份数计，涂层中O元素含量范围在20份～50份。
2.按照权利要求1所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，其特征在于，采用但不限于EDS或EPMA分析手段检测元素聚集峰，元素共聚峰的出现位置没有固定限制，元素共聚峰的强度没有上限。
3.按照权利要求2所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层，其特征在于，元素共聚峰的个数不低于一个。
4.一种权利要求1至3之一所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，其特征在于，将功能填料均匀混合10min～30min后，球磨搅拌0.5h～5h，涂覆到金属基材上，经过热处理，制备出结构为AlCrPO共生的防护涂层。
5.按照权利要求4所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，其特征在于，涂覆过程中，采用浸涂、淋涂、刷涂或喷涂。
6.按照权利要求4所述的铝-铬-磷-氧共生防护涂层的制备方法，其特征在于，热处理过程中，保温温度为80～650℃，保温时间为0.5～10h。
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