一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法

1.本发明属于表面工程技术领域，涉及等离子喷涂技术领域，具体涉及一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法。


背景技术：

2.等离子喷涂陶瓷涂层因具有优异的物理化学性能以及与金属间具有良好的附着力而被广泛应用于石油化工、航空航天、舰船等现代化工业及军事领域。然而，常规条件下的等离子喷涂陶瓷涂层呈现典型的层状结构，涂层内存在大量的未结合界面、孔隙及垂直裂纹。三者互相连接形成贯通的孔隙通道，使得喷涂态涂层无法直接应用于液态介质的腐蚀防护。因此，在实际应用过程中通常采用有机填料进行封孔处理，以防止腐蚀介质的渗透，从而达到腐蚀防护的目的。然而，有机封孔填料与无机涂层材料间的物理及化学性能相差较大，二者间的界面结合通常处于一种弱结合状态。尽管传统的封孔工艺在常规的腐蚀条件下通常就能满足服役工况的耐蚀性要求，但其耐蚀性往往只取决于涂层材料和有机填料的本征耐蚀性，使其在一些具有压力条件的更为苛刻的服役环境下(如深海环境，高压反应釜等)，会出现腐蚀介质在高压条件下从有机填料和无机涂层的有机/无机弱结合界面渗透的现象，导致封孔失效，并致使涂层的耐蚀性显著降低，无法满足服役性能及寿命的需求。同时，在有颗粒冲蚀作用的情况下(如具有泥沙的深海水流环境)，涂层中的有机/无机薄弱界面也很容易遭到破坏，导致陶瓷粒子快速剥落，从而加速涂层的防护失效。
3.因此，有必要通过材料及封孔工艺的设计来研发新的封孔方法，进而提升有机填料与无机涂层之间的结合力，并提升等离子喷涂陶瓷涂层的耐高压腐蚀及抗冲蚀性能，这对于满足深海装备关键零部件的防护具有重要的意义。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，解决了传统封孔模式下有机-无机界面处结合薄弱，导致腐蚀介质在高压条件下(如深海环境下)渗入而使得腐蚀防护失效的问题。同时，由于涂层内有机/无机界面结合性能的增强，也有效减少陶瓷粒子在具有冲蚀条件的服役环境下(如带有泥沙的高速水流中)从界面结合处剥落的现象，从而提升陶瓷涂层的耐冲蚀能。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.本发明提供了一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，包括以下步骤：
7.s1、采用等离子喷涂方法在金属基体表面喷涂陶瓷涂层；
8.s1、在陶瓷涂层表面浸渗前驱体溶液，所述前驱体为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；
9.s3、在浸渗后的涂层表面涂覆有机封孔剂对涂层进行封孔处理。
10.优选地，所述陶瓷涂层的材料选自mgo、zro2、al2o3、cr2o3、tio2、a2o
3-3％tio2(at3)、al2o
3-13％tio2(at13)、al2o
3-40％tio2(at40)中的至少一种。所述陶瓷涂层的材料选自具有优异耐腐蚀性能的典型耐蚀陶瓷涂层材料。
11.优选地，所述有机封孔剂包括环氧树脂型封孔剂，烷基磺酸类封孔剂。其他市售的商用封孔剂也适用于本发明，封孔剂及固化剂的比例及胶液粘度可根据不同的应用需求及封孔工艺进行调整。其中，环氧树脂型封孔剂本身具有良好的化学稳定性，耐酸耐碱，且环氧树脂固化成膜后收缩率较低，固化方便，因此在应用时施工工艺简单。
12.本发明的封孔方法，以具有优异耐腐蚀性能的典型耐蚀陶瓷涂层为原料，选用γ-氨丙基三乙氧基硅烷、或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷对喷涂涂层做浸渗处理，对涂层中的未结合界面进行表面强化，最后使用环氧树脂型、烷基磺酸类等商用封孔剂对涂层进行封孔处理。使用前驱体溶液进行表面强化，显著改善了涂层内有机/无机界面的结合，使得有机封孔剂与改性后的涂层结合强度高，封孔涂层具有优异的耐高压腐蚀性能。同时，也使得有机封孔剂与改性后的涂层孔隙结合强度高，在冲蚀过程中陶瓷粒子层与有机封孔剂间的剥落阻力增加，涂层冲蚀率低，封孔涂层具有优异的抗冲蚀性能。
13.本发明的封孔方法能够使陶瓷涂层中有机封孔剂与无机涂层间的界面结合性能得到有效提升，从而解决了传统封孔模式下有机-无机界面处结合薄弱，腐蚀介质在高压条件下(如深海环境)在容易渗入而导致腐蚀防护失效的问题。同时，由于本发明方法增强了涂层内有机/无机界面的结合性能，从而也有效减少了陶瓷粒子在具有冲蚀条件的服役环境下(如带有泥沙的高速水流中)容易从界面结合处剥落的现象，从而提升陶瓷涂层的耐冲蚀能力。因此，通过本发明的改性封孔处理，等离子喷涂陶瓷涂层将获得良好的耐高压腐蚀及抗冲蚀磨损性能，使得本发明封孔处理的等离子喷涂陶瓷涂层在海洋工程装备、船舶、化工等领域的金属腐蚀防护中具有重要的应用前景。
14.优选地，所述金属基体包括不锈钢基体、碳钢基体、合金基体，所述金属基体在喷涂陶瓷涂层前先经过表面喷砂粗糙化处理。
15.优选地，所述前驱体溶液的浓度为3-15％，溶剂为醇的水溶液，所述醇为乙醇、或乙二醇、或异丙醇。
16.优选地，浸渗前驱体溶液后进行干燥处理，干燥处理的方式为加热干燥，温度为50-100℃，干燥时间为4-12h。
17.优选地，所述涂覆采用二次刷涂法或喷涂法。
18.优选地，涂覆有机封孔剂后，在室温至80℃环境下干燥固化2-24h。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明公开了一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，本发明先采用等离子喷涂方法在金属基体表面喷涂陶瓷涂层，再在陶瓷涂层表面浸渗前驱体溶液进行表面强化处理，最后在喷涂层表面涂覆有机封孔剂对涂层进行封孔处理。本发明通过对等离子喷涂陶瓷涂层浸渗前驱体溶液，成功对涂层内部未结合界面进行了表面修饰，从而显著改善了封孔处理后涂层内部有机/无机界面的结合性能，使其在深海等高压环境下，能够有效防止腐蚀介质通过封孔剂与涂层之间的有机/无机界面发生渗透而腐蚀涂层，使得封孔处理后的等离子喷涂陶瓷涂层具有良好的耐高压腐蚀性能。同时，经封孔处理后有机/无机界面结合强化也有效提升了涂层的抗冲蚀性能。因此，本发明为提升等离
子喷涂陶瓷涂层的耐高压腐蚀及抗冲蚀性能提供了一种新的封孔方法，在海洋工程装备、船舶、化工等领域的金属腐蚀防护中具有重要的应用前景。
附图说明
21.图1为等离子喷涂陶瓷涂层的封孔工艺流程。
具体实施方式
22.下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
23.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
24.实施例1一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
25.如图1所示，所述涂层的封孔方法包括以下步骤：
26.(1)采用欧瑞康美科9m等离子喷涂系统在喷砂粗化后的q235碳钢基体表面喷涂al2o3陶瓷涂层，喷涂功率为36kw,喷涂距离80mm，涂层厚度为150um；
27.(2)向浓度为1mol/l的异丙醇水溶液中滴加浓度为10％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液得到前驱体溶液，γ-氨丙基三乙氧基硅烷的最终浓度为2％，然后在陶瓷涂层表面采用喷雾的方式浸渗前驱体溶液，溶液将需喷涂表面充分润湿且不出现明显流淌即可，在室温下静置0.5h后将浸渗改性处理后的工件置于干燥箱中，在70℃下干燥12h；
28.(3)采用二次刷涂法对改性后的涂层使用环氧树脂作为封孔剂进行封孔处理，刷涂工艺为常规的封孔处理工艺(侯岩枫,许立坤,沈承金,等.封孔处理等离子喷涂cr2o3涂层耐蚀性的电化学表征[j].中国腐蚀与防护学报,2012,32(6):5.)，处理后在室温环境下干燥固化24h，固化完成后打磨除去表层多余的封孔剂，完成封孔处理过程。
[0029]
在高压反应釜中对涂层的耐蚀性能进行表征测试。测试方法为：以3.5％ nacl溶液作为腐蚀介质，将封孔处理后的式样至于高压釜中，并采用氩气给测试体系施加5mpa的压力(相当于500m水深环境的压力)。在初始阶段，采用常规封孔处理(仅步骤(1)和(3))和上述改性封孔处理的涂层在低频段的极化阻抗均达到了10
10
ωcm2，表明二者均有良好的腐蚀防护效果。然而，随着浸泡过程的不断推移，采用常规封孔处理的涂层式样的对应阻抗不断降低，高压浸泡至第5天的时，其对应阻抗已降低至109ωcm2量级，表明涂层的耐蚀性在不断降低，第10天时，试样出现了扩散阻抗，表明腐蚀介质已从涂层渗透到了金属基体表面。然而，采用本实施例的改性封孔技术制备的涂层在上述条件下高压浸泡20天后，涂层的阻抗模量几乎未发生变化，表明该涂层具有优异的耐高压腐蚀性能。
[0030]
采用多棱角且粒径为250μm的al2o3颗粒作为冲蚀颗粒对涂层的进行冲蚀性能表征。冲蚀气体的压力为0.4mpa，冲蚀角度为90。结果表明，采用本实施例的改性封孔处理的涂层的冲蚀磨损率相比常规未改性处理封孔的涂层下降了约50％，即改性处理后涂层的耐冲蚀性能提升了2倍，表明改性封孔处理涂层具有优异的耐冲蚀性能。
[0031]
实施例2一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
[0032]
大体封孔方法同实施例1，不同之处在于：向浓度为1mol/l的乙醇水溶液中滴加浓
度为5％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液得到前驱体溶液。
[0033]
同实施例1一样，与常规封孔处理相比，采用本实施例的改性封孔处理得到的涂层具有优异的耐高压腐蚀性能以及耐冲蚀性能。
[0034]
实施例3一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
[0035]
(1)采用等离子喷涂方法在喷砂粗化后的q235碳钢基体表面喷涂cr2o3陶瓷涂层，涂层厚度为100um；
[0036]
(2)向浓度为1mol/l的乙醇水溶液中滴加浓度为10％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液得到前驱体溶液，然后在陶瓷涂层表面浸渗前驱体溶液，将浸渗改性处理后的工件置于干燥箱中，在70℃下干燥12h；
[0037]
(3)采用二次刷涂法对改性后的涂层使用环氧树脂作为封孔剂进行封孔处理，处理后在室温环境下干燥固化24h，固化完成后打磨除去表层多余的封孔剂，完成封孔处理过程。
[0038]
同实施例1一样，与常规封孔处理相比，采用本实施例的改性封孔处理得到的涂层具有优异的耐高压腐蚀性能以及耐冲蚀性能。
[0039]
实施例4一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
[0040]
大体封孔方法同实施例3，不同之处在于：向浓度为1mol/l的乙醇水溶液中滴加浓度为5％的γ-氨丙基三乙氧基硅烷溶液得到前驱体溶液。
[0041]
同实施例1一样，与常规封孔处理相比，采用本实施例的改性封孔处理得到的涂层具有优异的耐高压腐蚀性能以及耐冲蚀性能。
[0042]
实施例5一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
[0043]
大体封孔方法同实施例3，不同之处在于：采用等离子喷涂方法在喷砂粗化后的q235碳钢基体表面喷涂tio2陶瓷涂层，涂层厚度为100um；
[0044]
同实施例1一样，与常规封孔处理相比，采用本实施例的改性封孔处理得到的涂层具有优异的耐高压腐蚀性能以及耐冲蚀性能。
[0045]
实施例6一种等离子喷涂陶瓷涂层的封孔方法
[0046]
大体封孔方法同实施例4，不同之处在于：采用等离子喷涂方法在喷砂粗化后的q235碳钢基体表面喷涂tio2陶瓷涂层，涂层厚度为100um；
[0047]
同实施例1一样，与常规封孔处理相比，采用本实施例的改性封孔处理得到的涂层具有优异的耐高压腐蚀性能以及耐冲蚀性能。
[0048]
综合实施例1-6可见，本发明的封孔方法，解决了传统封孔模式下有机-无机界面处结合薄弱，导致腐蚀介质在高压条件下(如深海环境下)渗入而使得腐蚀防护失效的问题。同时，由于涂层内有机/无机界面结合性能的增强，也有效减少陶瓷粒子在具有冲蚀条件的服役环境下(如带有泥沙的高速水流中)从界面结合处剥落的现象，从而提升陶瓷涂层的耐冲蚀能。因此，通过本发明改性封孔处理的等离子喷涂陶瓷涂层获得良好的耐高压腐蚀及抗冲蚀磨损等综合性能，从而大幅度提高涂层的使用寿命，扩大等离子喷涂陶瓷涂层的使用范围，使得本发明封孔处理的等离子喷涂陶瓷涂层在海洋工程装备、船舶、化工等领域的金属腐蚀防护中具有重要的应用前景。
[0049]
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多
种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、采用等离子喷涂方法在金属基体表面喷涂陶瓷涂层；s1、在陶瓷涂层表面浸渗前驱体溶液，所述前驱体为γ-氨丙基三乙氧基硅烷或γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷；s3、在浸渗后的涂层表面涂覆有机封孔剂对涂层进行封孔处理。2.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，所述陶瓷涂层的材料选自mgo、zro2、al2o3、cr2o3、tio2、a2o
3-3％tio2、al2o
3-13％tio2、al2o
3-40％tio2中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，所述金属基体包括不锈钢基体、碳钢基体、合金基体，所述金属基体在喷涂陶瓷涂层前先经过表面喷砂粗糙化处理。4.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，所述前驱体溶液的浓度为3-15％，溶剂为醇的水溶液，所述醇为乙醇、或乙二醇、或异丙醇。5.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，浸渗前驱体溶液后进行干燥处理，干燥处理的方式为加热干燥，温度为50-100℃，干燥时间为4-12h。6.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，所述有机封孔剂包括环氧树脂型封孔剂，烷基磺酸类封孔剂。7.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，所述涂覆采用二次刷涂法或喷涂法。8.根据权利要求1所述的一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法，其特征在于，涂覆有机封孔剂后，在室温至80℃环境下干燥固化2-24h。

技术总结
本发明属于表面工程技术领域，涉及等离子喷涂技术领域，具体涉及一种提升等离子喷涂陶瓷涂层耐高压腐蚀及抗冲蚀性能的封孔方法。本发明先通过浸渗前驱体溶液对等离子喷涂陶瓷涂层进行表面强化处理，然后再使用封孔剂对涂层进行封孔处理。本发明的封孔方法能够使陶瓷涂层中有机封孔剂与无机涂层间的界面结合性能得到有效提升，从而解决了传统封孔模式下有机-无机界面处结合薄弱，腐蚀介质在高压条件下在容易渗入而导致腐蚀防护失效的问题。同时，也有效减少了陶瓷粒子在具有冲蚀条件的服役环境下容易从界面结合处剥落的现象，从而提升陶瓷涂层的耐冲蚀能力。因此，本发明使等离子喷涂陶瓷涂层获得良好的耐高压腐蚀及抗冲蚀磨损性能。蚀磨损性能。蚀磨损性能。


技术研发人员：张山林 韩方泽 黄海婷
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/7/11