CN113388830A - 一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法 - Google Patents

一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，采用冷喷涂技术在基体表面制备镍基合金过渡层，在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层，对所述陶瓷涂层表面进行重熔，本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，采用冷喷涂在钢基体表面制备镍基合金过渡层，避免了传统采用热喷涂技术制备过渡层，导致涂层内部残余拉应力，在后续热喷涂陶瓷涂层中容易继续增加拉应力而引起裂纹和剥离，且冷喷涂涂层的内应力为压应力，能够抵消一部分受热产生的拉应力，进而提高过渡层和陶瓷涂层之间的结合力，制备得到的耐高温防腐陶瓷涂层，形成的涂层外表层致密，内层多孔，陶瓷涂层与过渡层、过渡层与基体结合强度均很高，具有优良的耐高温防腐性能和长使用寿命。

Description

一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法
技术领域
本发明属于表面技术，具体涉及一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法。
背景技术
钢材一直是建筑、工业、军事等各大领域应用最广泛的材料，如锅炉四管、锂电池窑炉、海洋装备等。高温和腐蚀的恶劣环境常常导致钢材氧化变色、产生裂纹、表皮剥落等问题，甚至连一般的不锈钢都难以在400-500℃以上以及腐蚀环境中长期使用。采用表面强化技术对钢材表面进行耐高温和防腐性能的提升，是目前最有效的解决办法。
目前，工业上常采用热喷涂陶瓷涂层进行表面强化。热喷涂过程中，充分熔融的陶瓷粉末粒子撞击基体，极速冷却、凝固形成涂层，由于陶瓷的热膨胀系数一般较低，难以完全填充涂层中的各种微孔和缝隙，且涂层中的残余热应力容易导致裂纹的产生，因此热喷涂制备的陶瓷涂层内部通常含有各种孔洞和微裂纹。在高温和腐蚀环境中，这些孔洞和微裂纹成为氧气和腐蚀介质的优先通道，进而影响涂层的防护效果。
发明内容
鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种能够有效提高基体表面耐高温防腐性能的陶瓷涂层的制备方法及陶瓷涂层。
为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，包括下述步骤：
采用冷喷涂技术在基体表面制备镍基合金过渡层；
在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层；及
对所述陶瓷涂层表面进行重熔。
在其中一些实施例中，在基体表面制备镍基合金过渡层的步骤中，所述冷喷涂的主气为氮气或氦气，压力为2-3.5MPa，温度为300-600℃。
在其中一些实施例中，所述镍基合金的成分为镍基合金成分为NiCrAlY，粒度为15-45μm，形状为球形或近球形。
在其中一些实施例中，所述镍基合金过渡层的厚度为150-200μm。
在其中一些实施例中，在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层的步骤中，具体包括下述步骤：
将陶瓷粉末、添加剂和去离子水进行高能球磨24-72小时，形成均匀分散的悬浮液；
将所述悬浮液通过喷雾干燥获得团聚的陶瓷粉末；
将所述团聚的陶瓷粉末作为原材料，通过热喷涂技术在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层。
在其中一些实施例中，在将陶瓷粉末、添加剂和去离子水进行高能球磨24-72小时，形成均匀分散的悬浮液的步骤中，所述添加剂为粘结剂和分散剂中的至少一种，所述粘结剂为PVA，所述分散剂为PEG，所述添加剂的含量为1-3wt.％。
在其中一些实施例中，在将所述悬浮液通过喷雾干燥获得团聚的陶瓷粉末的步骤中：喷雾干燥后的陶瓷粉末为陶瓷和添加剂的混合物，粒度为50-100μm，形状为球形或近球形。
在其中一些实施例中，所述热喷涂技术为等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂中的一种。
在其中一些实施例中，所述陶瓷涂层厚度为200-350μm。
在其中一些实施例中，在对所述陶瓷涂层表面进行重熔的步骤中，具体为：
采用激光重熔技术对热喷涂陶瓷涂层表面进行重熔，其中，重熔深度为20-100μm。
另外，本申请还提供了一种耐高温防腐陶瓷涂层，包括：设置于基体表面的镍基合金过渡层及设置于所述镍基合金过渡层表面的陶瓷涂层，所述陶瓷涂层表面进行重熔处理。
本申请采用上述技术方案具备下述效果：
本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，采用冷喷涂技术在基体表面制备镍基合金过渡层，在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层，对所述陶瓷涂层表面进行重熔，本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，采用冷喷涂在钢基体表面制备镍基合金过渡层，避免了传统采用热喷涂技术制备过渡层，导致涂层内部残余拉应力，在后续热喷涂陶瓷涂层中容易继续增加拉应力而引起裂纹和剥离，且冷喷涂涂层的内应力为压应力，能够抵消一部分受热产生的拉应力，进而提高过渡层和陶瓷涂层之间的结合力，制备得到的耐高温防腐陶瓷涂层，形成的涂层外表层致密，内层多孔，陶瓷涂层与过渡层、过渡层与基体结合强度均很高，具有优良的耐高温防腐性能和长使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法的步骤流程图。
图2为本发明实施例提供的耐高温防腐陶瓷涂层的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
请参阅图1，为本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法的步骤流程图，包括下述步骤：
步骤S110：采用冷喷涂技术在基体表面制备镍基合金过渡层。
在其中一些实施例中，所述冷喷涂的主气为氮气或氦气，压力为2-3.5MPa，温度为300-600℃。所述基体为钢材。
在其中一些实施例中，所述镍基合金的成分为镍基合金成分为NiCrAlY，粒度为15-45μm，形状为球形或近球形。
在其中一些实施例中，所述镍基合金过渡层的厚度为150-200μm。
可以理解，本申请采用冷喷涂技术制备镍基合金过渡层，相对于传统热喷涂过渡层内应力为拉应力，在后续热喷涂陶瓷涂层的过程中，由于受到熔融粒子高热量的持续冲击，过渡层受热膨胀，拉应力越来越大，容易导致过渡层和陶瓷涂层的界面产生较大裂纹和剥离，而冷喷涂涂层的内应力为压应力，能够抵消一部分受热产生的拉应力，进而提高过渡层和陶瓷涂层之间的结合力。
步骤S120：在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层。
在其中一些实施例中，在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层的步骤中，具体包括下述步骤：
步骤S121：将陶瓷粉末、添加剂和去离子水进行高能球磨24-72小时，形成均匀分散的悬浮液，其中，陶瓷粉末的含量为20～60wt.％，添加剂含量为1～3wt.％，去离子水的含量为40～80wt.％。
具体地，所述添加剂为粘结剂和分散剂中的至少一种，所述粘结剂为PVA，所述分散剂为PEG，所述添加剂的含量为1-3wt.％。
步骤S122：将所述悬浮液通过喷雾干燥获得团聚的陶瓷粉末。
进一步地，喷雾干燥后的陶瓷粉末为陶瓷和添加剂的混合物，粒度为50-100μm，形状为球形或近球形。
步骤S123：将所述团聚的陶瓷粉末作为原材料，通过热喷涂技术在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层。
在其中一些实施例中，所述热喷涂技术为等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂中的一种。
在其中一些实施例中，所述陶瓷涂层厚度为200-350μm。
可以理解，在本实施例中，陶瓷涂层的原材料采用有机添加剂和陶瓷细粉经过高能球磨加喷雾干燥技术团聚而成的球形粉末，而非纯陶瓷粉末。采用这种粉末的好处在于，在热喷涂过程中，添加剂容易分解挥发，造成涂层内部均匀分布着大量细小的微孔，提高了涂层的隔热性能，增加了其耐高温性能。
步骤S130：对所述陶瓷涂层表面进行重熔。
在其中一些实施例中，采用激光重熔技术对热喷涂陶瓷涂层表面进行重熔，其中，重熔深度为20-100μm。
通过上述步骤，最终形成的涂层外表层致密，内层多孔，涂层与过渡层、过渡层与基体结合强度均很高，具有优良的耐高温防腐性能和长使用寿命。
请参阅图2，为本申请实施例提供的耐高温防腐陶瓷涂层的结构示意图，包括：设置于基体110表面的镍基合金过渡层120及设置于所述镍基合金过渡层120表面的陶瓷涂层130，所述陶瓷涂层表面进行重熔处理。
本申请提供的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，采用冷喷涂在钢基体表面制备镍基合金过渡层，避免了传统采用热喷涂技术制备过渡层，导致涂层内部残余拉应力，在后续热喷涂陶瓷涂层中容易继续增加拉应力而引起裂纹和剥离，且冷喷涂涂层的内应力为压应力，能够抵消一部分受热产生的拉应力，进而提高过渡层和陶瓷涂层之间的结合力，制备得到的耐高温防腐陶瓷涂层，形成的涂层外表层致密，内层多孔，陶瓷涂层与过渡层、过渡层与基体结合强度均很高，具有优良的耐高温防腐性能和长使用寿命。
以下结合详细实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1：
采用冷喷涂设备在钢基体表面制备NiCrAlY过渡层。其中，冷喷涂主气为氮气，压力为3.5MPa，温度为500℃，NiCrAlY原材料粉末粒度为15-45μm，喷涂距离为30mm，喷涂时间为2分钟，形成厚度为150μm的过渡层。
然后将PVA、PEG、去离子水和Al2O3称重混合，高能球磨48小时，并通过喷雾干燥技术获得团聚的陶瓷粉末。其中，PVA和PEG含量均为1wt.％，Al2O3固体含量为60wt.％，喷雾干燥后的团聚粉末粒度为50-75μm。
接着利用等离子喷涂技术和团聚后的陶瓷粉末在过渡层表面制备陶瓷涂层。其中，等离子喷涂功率为40kW，喷涂距离为100mm，喷涂时间4分钟，形成厚度为250μm的多孔Al2O3涂层。
最后，采用激光设备对陶瓷涂层表面进行重熔，重熔深度为100μm左右。最终，形成表面致密、内部多孔的Al2O3涂层，耐高温性能强，且涂层与过渡层、过渡层与基体的结合强度高，涂层使用寿命长。
实施例2：
采用冷喷涂设备在钢基体表面制备NiAl合金过渡层。其中，冷喷涂主气为氮气，压力为3.5MPa，温度为400℃，NiAl合金原材料粉末为Ni包Al粉，粒度为15-45μm，喷涂距离为30mm，喷涂时间为2分钟，形成厚度为200μm的过渡层。
然后将PVA、PEG、去离子水和Al2O3称重混合，高能球磨48小时，并通过喷雾干燥技术获得团聚的陶瓷粉末。其中，PVA和PEG含量均为1.5wt.％，Al2O3固体含量为60wt.％，喷雾干燥后的团聚粉末粒度为50-75μm。
接着利用等离子喷涂技术和团聚后的陶瓷粉末在过渡层表面制备陶瓷涂层。其中，等离子喷涂功率为45kW，喷涂距离为120mm，喷涂时间4分钟，形成厚度为250μm的多孔Al2O3涂层。
最后，采用激光设备对陶瓷涂层表面进行重熔，重熔深度为80μm左右。最终，形成表面致密、内部多孔的Al2O3涂层，耐高温性能强，且涂层与过渡层、过渡层与基体的结合强度高，涂层使用寿命长。
实施例3：
采用冷喷涂设备在钢基体表面制备NiCrAl合金过渡层。其中，冷喷涂主气为氦气，压力为3MPa，温度为450℃，NiCrAl合金原材料粉末粒度为15-45μm，喷涂距离为30mm，喷涂时间为2分钟，形成厚度为200μm的过渡层。
然后将PVA、PEG、去离子水和Al2O3称重混合，高能球磨72小时，并通过喷雾干燥技术获得团聚的陶瓷粉末。其中，PVA和PEG含量均为1.5wt.％，Al2O3固体含量为60wt.％，喷雾干燥后的团聚粉末粒度为50-75μm。
接着利用等离子喷涂技术和团聚后的陶瓷粉末在过渡层表面制备陶瓷涂层。其中，等离子喷涂功率为40kW，喷涂距离为120mm，喷涂时间5分钟，形成厚度为300μm的多孔Al2O3涂层。
最后，采用激光设备对陶瓷涂层表面进行重熔，重熔深度为100μm左右。最终，形成表面致密、内部多孔的Al2O3涂层，耐高温性能强，且涂层与过渡层、过渡层与基体的结合强度高，涂层使用寿命长。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
采用冷喷涂技术在基体表面制备镍基合金过渡层；
在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层；及
对所述陶瓷涂层表面进行重熔。
2.根据权利要求1所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在基体表面制备镍基合金过渡层的步骤中，所述冷喷涂的主气为氮气或氦气，压力为2-3.5MPa，温度为300-600℃。
3.根据权利要求2所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述镍基合金的成分为镍基合金成分为NiCrAlY，粒度为15-45μm，形状为球形或近球形。
4.根据权利要求3所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述镍基合金过渡层的厚度为150-200μm。
5.根据权利要求1所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层的步骤中，具体包括下述步骤：
将陶瓷粉末、添加剂和去离子水进行高能球磨24-72小时，形成均匀分散的悬浮液；其中，陶瓷粉末的含量为20～60wt.％，添加剂含量为1～3wt.％，去离子水的含量为40～80wt.％；
将所述悬浮液通过喷雾干燥获得团聚的陶瓷粉末；
将所述团聚的陶瓷粉末作为原材料，通过热喷涂技术在所述镍基合金过渡层表面制备陶瓷涂层。
6.根据权利要求5所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在将陶瓷粉末、添加剂和去离子水进行高能球磨24-72小时，形成均匀分散的悬浮液的步骤中，所述添加剂为粘结剂和分散剂中的至少一种，所述粘结剂为PVA，所述分散剂为PEG，所述添加剂的含量为1-3wt.％。
7.根据权利要求5所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在将所述悬浮液通过喷雾干燥获得团聚的陶瓷粉末的步骤中，喷雾干燥后的陶瓷粉末为陶瓷和添加剂的混合物，粒度为50-100μm，形状为球形或近球形。
8.根据权利要求5所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述热喷涂技术为等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂中的一种。
9.根据权利要求8所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，所述陶瓷涂层厚度为200-350μm。
10.根据权利要求1所述的耐高温防腐陶瓷涂层的制备方法，其特征在于，在对所述陶瓷涂层表面进行重熔的步骤中，具体为：
采用激光重熔技术对热喷涂陶瓷涂层表面进行重熔，其中，重熔深度为20-100μm。
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