热喷涂涂层封孔剂的分类

2017-01-20 16:18:38 作者：本网整理来源：热喷涂与再制造分享至：

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    热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊功能的目的。以常见的超音速火焰（HVOF）喷涂方法喷涂和大气等离子喷涂（APS）方法的喷涂过程为例，所制涂层是由无数变形粒子相互交错成波浪式堆叠在一起而形成的层状堆积结构，因此涂层中变形的颗粒与颗粒之间不可避免地存在一些孔隙。孔隙按其存在的形式可分为表面孔（开孔）、封闭孔和穿透孔（通孔）。当涂层用于耐腐蚀时，若涂层中有开孔或封闭孔存在，腐蚀介质不能直接到达基体表面，故其不能直接使基体发生腐蚀；而若涂层中存在通孔，则腐蚀介质会通过孔隙直接到达被保护基体的表面，使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀，腐蚀产物在界面积累，会使涂层龟裂，脱落，最终导致涂层失效。因此为了阻止腐蚀介质对基体的侵蚀，提高涂层的耐腐性能及扩大其在特殊环境下的应用范围，必须对涂层进行封孔处理。

    封孔处理是指采用刷子或喷涂设备等使封孔剂浸入孔隙，填充到孔隙中，在填充孔隙强化内部的同时，使表面也变得光滑，多余的封孔剂变成涂层。因此封孔剂必须具有较低的粘度和良好的渗透性能，具有易固化以及与陶瓷涂层的匹配性和化学上的相容性，以及良好的化学稳定性和在所处的环境下良好的耐腐蚀性能。封孔处理的目的主要有三个方面：一是保证涂层的气密性，提高涂层的耐腐蚀性能、抗氧化性能或电绝缘性；二是避免涂层在磨削加工时从砂轮上掉下来的磨粒嵌入涂层的孔隙中污染涂层；三是赋予涂层新的功能，如石蜡、塑料等封孔剂具有减磨自润滑作用，可以赋予涂层减磨自润滑性能。

    采用封孔剂进行封孔处理是指通过刷涂、浸涂或机械喷涂等方法使封孔液很好的渗入到涂层的孔隙中，以达到堵塞孔隙的目的。作为封孔剂应满足以下条件：

    ①具有很好的渗透性，即要求封孔剂的粘度低并且要与涂层有良好的浸润作用。但溶胶的粘度不能过小，如果粘度太小，溶胶中的固含量较少，虽然溶胶能很好的渗入孔隙中，但由于固含量过少，不能起到很好的封孔作用，须多次反复浸渍收效不佳，而且粘度过小时，成膜较困难。

    ②具有良好的化学稳定性和耐侵蚀性。由于涂层要经常处于某些化学溶剂的腐蚀介质中，如果封孔剂不能经受腐蚀介质的侵蚀，则封孔处理会很快失效。

    ③易固化，且与涂层结合牢固，要能经受一定的机械作用。即封孔剂应与涂层结合牢固，不会因为机械作用而脱落或碎裂。

    ④在工作温度下性能稳定。封孔剂不能在使用温度下发生熔化、蒸发或分解等物理变化。

    ⑤不降低涂层或基体金属的性能，且不能与涂层或基体发生有害化学反应。在工作环境下应与涂层和基体保持化学稳定性。

    ⑥安全无毒，使用方便。保证施工时安全方便。

    目前常用的封孔剂主要分为有机封孔剂和无机封孔剂两大类。

    一、有机封孔剂

    目前常用的有机封孔剂主要以环氧树脂、酚醛塑料、呋喃、聚甲基丙烯酸酯、硅树脂、聚酯、聚亚安酯、乙烯树脂和石蜡等为主剂，采用醇类、芳香族碳氢化合物、酯类等为溶剂。有机封孔剂主要分为常温硬化型和加热硬化型两类。加热硬化型可以使涂层封孔均匀，而常温硬化型则容易在大型制品上施工。

    微晶石蜡是一种普遍使用的涂层封孔剂，其具有明显的熔点，在低温环境下可以防止液体的渗入，而且可以赋予涂层耐磨及自润滑性能。石蜡化学性能十分稳定，常温下，能耐海水、淡水以及绝大多数酸和碱的侵蚀，常使用在不允许采用一般润滑油的食品和化学机械零件上金属涂层的封孔和润滑。但传统的石蜡在一段温度范围内连续熔化，没有固定的熔点，用其封孔效果不明显。而微晶石蜡具有明显的熔点，所以其应用较广。而且石蜡不耐热，能溶于有机溶剂和碳氢化合物，因此不能用在使用油和油脂润滑的涂层。

    酚醛清漆、环氧清漆和有机硅涂料等都可以用于耐腐蚀涂层的封孔，在使用温度范围内可以保持良好的耐蚀性。酚醛树脂清漆作为喷涂涂层封孔剂，一般采用空气干燥型和烘干型两种方式，使用温度在150-260℃之间。树脂粘度低，能很快渗入到涂层孔隙中。树脂固化后，具有良好的耐有机溶剂和弱酸腐蚀的能力，耐水性也较好。主要用来密封需要磨削精加工的涂层，特别是用于不允许有渗透的在高压下工作的喷涂层封孔。通常烘干型比空气干燥型有更好的保护性能。低粘度树脂在6％～12％的Al2O3涂层中，5min内可渗入涂层内0.75mm深。某电弧喷涂喷的Al涂层采用酚醛树脂封孔剂进行封孔处理后，涂层的孔隙率有原来的5％-8％降为小于0.11％，涂层的耐腐蚀性能得到了较大的提高。

    环氧清漆是以环氧树脂为基，加入煤焦沥青或酚醛树脂，溶于混合有机溶剂中调剂而成的，该封孔剂具有良好的耐水性和较好的附着能力。煤焦油环氧树脂可应用于长期浸渍在海水或淡水中的涂层。催化型的环氧树脂作为封孔剂，可用于密封大面积或不能烘烤的涂层，催化剂要与喷涂的金属和使用的环境相适应。Sugehis Liscano等分别采用苯酚树脂和环氧树脂作为封孔剂对等离子喷涂Al2O3-13％TiO2涂层进行了封孔，结果表明：环氧树脂和苯酚树脂均可以明显的降低涂层的孔隙率，腐蚀电流明显降低，腐蚀电压得到了很大的提高，涂层的耐腐蚀性能得到了较大地提高。

    有机硅涂料是以有机硅树脂为主要成分，采用丙烯酸树脂、环氧树脂或醇酸树脂等改性，并且加入各种添加剂和有机溶剂配制而成的。该封孔剂具有较高的耐热性，耐水性和耐腐蚀性能，常用于较高温度下使用的耐腐蚀涂层。易茂中等分别采用水玻璃、有机硅树脂和Ni-Cr-B-Si对等离子喷涂ZrO2涂层进行了封孔处理，实验结果显示：有机硅树脂的封孔效果最好，Ni-Cr-B-Si涂层次之，水玻璃的效果不太明显。江志强等以硅酸乙酯为封孔剂在等离子喷涂ZrO2-8％Y2O3涂层上进行了封孔处理，结果表明通过2次刷涂，硅酸乙酯封孔剂可渗入涂层约30μm，通过封孔处理后贯穿孔约减少1\4。

    丙烯酸树脂具有良好的附着力和渗透性以及良好的耐热性和耐候性。丙烯酸树酯通过真空浸渗可以得到具有优良性能的封孔涂层。低粘度丙烯酸酯封孔剂采用厌氧反应固化，可以不用真空就具有良好渗透性的优点，暴露在空气中时保持液相，当渗入到孔隙中后发生硬化并且失去氧固化，此封孔剂适用于密封高压液体环境的涂层。日本科学家赤沼正信等采用丙烯酸树脂、酚醛树脂和有机硅树脂对TiO2涂层进行了封孔处理，并且对这三种树脂的封孔性能进行了比较。从耐腐蚀性、耐磨性和加工表面的粗糙度等多方面考虑丙烯酸树脂都具有良好的性能，因为它属于加热硬化型封孔剂，粘度较低、浸润性好，容易渗透到涂层的孔洞和微裂纹中，反应硬化后与陶瓷涂层结合较好，在陶瓷间起到了粘结剂的作用。此外，丙烯酸系树脂用在Al2O3涂层上也起到了较好的效果，封孔处理后使涂层的表面粗糙度大大降低，硬度上升并且耐腐蚀性能也得到了较大的提高。

    二、无机封孔剂

    目前，各种无机封孔剂在对陶瓷涂层进行封孔处理中获得了广泛的应用。碱金属硅酸盐具有耐高温、易溶于水、成膜性好以及价格低等优点，因此在无机封孔剂中，通常选用碱金属硅酸盐作为基料。阎瑞等利用无机材料耐高温的特点，在试验中选用碱金属硅酸盐做基料研制出了耐高温封孔剂，对涂层进行封孔处理后，涂层的耐酸、碱和盐的性能良好，耐高温腐蚀性能得到了明显改善，使涂层的使用寿命延长了1倍。P Vuoristo等利用将Al（OH）3与H3PO4按照1：4.2的比例混合，并加入20％的去离子水组成的封孔剂对等离子喷涂氧化锆涂层进行封孔处理后发现，涂层的孔隙率下降了40％，耐腐蚀性能提高了67％，涂层的显微硬度也得到了提高。

    施釉。施釉是一些研究者最近刚提出的一种可以降低涂层孔隙率的封孔方法。釉具有良好的高温稳定性、憎水性、耐磨性、耐腐蚀性以及绝缘性等优点，可以在高温腐蚀环境下使用。通过改变釉料的成分以及对釉料进行表面改性，使其与涂层的热膨胀系数、化学性质以及抗张强度等相匹配。可采用等离子喷涂法进行施釉，等离子喷涂温度高，可以充分熔融釉料，并且高速飞行的釉料更容易进入涂层的孔隙中，再加上后续烧结工艺，可以取得较好的封孔效果。该封孔方法对基体的形状要求不高，可以对形状复杂的工件进行施釉，而且可以进行现场施工。但是，此方法正处于开发和研究中。

    近年来，国内外的研究者采用溶胶-凝胶技术对陶瓷涂层进行封孔处理已经取得了较好的效果，研究发现采用溶胶-凝胶法进行封孔处理可以使涂层的致密性提高，并且可以提高涂层的结合强度。但是，由于溶胶-凝胶法的热处理温度较低，使凝胶化不够充分，因而封孔处理可能不完全，所以需要对处理条件进行修正。