|
摘要：干冰顆（微）粒噴射法被應(yīng)用到大氣等離子噴涂中以改善涂層的性能文中采用等離子噴涂和干冰顆（微）粒噴射工藝在不銹鋼基體表面制備了鋼涂層，并研究了涂層的顆（微）觀結(jié)構(gòu)、孔隙率、溫度、氧化、表面粗糙度和結(jié)合強(qiáng)度等性能結(jié)果表明，由于干冰顆（微）粒噴射具有較高的冷卻效率，加之干冰顆（微）粒撞擊所產(chǎn)生的機(jī)械作用，等離子噴涂制備的鋼涂層呈現(xiàn)出更致密的結(jié)構(gòu)特征相比于空氣冷卻制備的涂層，干冰顆（微）粒冷卻制備的涂層含有更少的氧化物。另外，干冰顆（微）粒噴射工藝對基體的預(yù)處理使得涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高了將近14%，這是由于干冰顆（微）粒噴射工藝對基體上吸附的有機(jī)物質(zhì)具有清潔作用，主要基于干冰顆粒的熱、機(jī)械和膨脹的綜合效應(yīng)。
關(guān)鍵詞:大氣等離子噴涂；干冰顆粒噴射清洗； 干冰清洗技術(shù)； 干冰清洗；金屬涂層
引言
大氣等離子噴涂(APS)由于其相對較高的沉積效率、低成本和高靈活性，被廣泛地用于 工業(yè)清洗界，盡管大氣等離子噴涂制備金屬涂層過程中存在部分氧化。這主要是由周圍空氣卷人高溫粒子導(dǎo)致。涂層中的氧化物對涂層的結(jié)構(gòu)和性能具有一些不利影響，尤其是對于金屬涂層。因此，大量文獻(xiàn)報道真空等離子噴涂（VPS），低壓等離子噴涂(LPPS）或冷氣體動力噴涂(CGDS)制備金屬或者合金涂層，如MCrAlY合金和FeAl合金等。但是它們畢竟不是沉積這些涂層最有效并且節(jié)約成本的方法。
文中介紹了在等離子噴涂過程中引人干冰顆（微）粒噴射工藝，目的是提高涂層的性能，特別是減少金屬涂層中的氧化物含量。干冰顆（微）粒噴射工藝是利用高品質(zhì)可調(diào)節(jié)的壓縮空氣作為動力源，把較低溫度的干冰顆粒(常壓下干冰的升華溫度為-78.5℃)通過專用設(shè)備加速到被作用表面的過程。干冰顆（微）粒噴射工藝目前被廣泛地應(yīng)用在工業(yè)清洗行業(yè)。干冰顆（微）粒噴射工藝，作為一種環(huán)境友好型方法，應(yīng)用在APS的過程中是非常有意義的，對基體的凈化作用有利于扁平粒子的鋪展。實際上，在熱噴涂過程中，將基體預(yù)熱到一定溫度，例如400℃，也能清潔吸附在基體上的有機(jī)物等，最終導(dǎo)致近圓餅形扁平顆粒的產(chǎn)生。但在實際工業(yè)生產(chǎn)中，預(yù)熱的高溫基體無疑會產(chǎn)生表面氧化，這將會促進(jìn)涂層的失效�；诟杀牡蜏匦�(yīng)，以及干冰與作用物體表面之間的能量和動量的轉(zhuǎn)移作用，干冰顆（微）粒噴射在熱噴涂過程中或許可以起到更好的散熱效果和凈化效果。干冰顆（微）粒噴射工藝的優(yōu)點還在于作為工作介質(zhì)的固體二氧化碳在被作用表面上會全部揮發(fā)，無殘留物質(zhì)，不僅能提高表面清潔度，而且符合USDA、FDA、EPA的安全環(huán)保要求。目前，尚沒有發(fā)現(xiàn)其他研究機(jī)構(gòu)報道干冰顆（微）粒噴射法應(yīng)用在熱噴涂領(lǐng)域。一旦干冰顆（微）粒噴射法被證實在等離子噴涂金屬涂層過程中具有良好的效果，這將會推進(jìn)大氣等離子噴涂制備金屬或者合金涂層的應(yīng)用。
1試驗材料及方法
試驗材料選用鋼粉(Sulzer - Metco AmdryXPT 512)制備涂層，作為金屬涂層的典型代表；基體選用316L、不銹鋼板。沉積涂層前對表面進(jìn)行了噴砂粗化處理。試驗裝置采用F4大氣等離子槍(Sulzer-Metco) ,氫氣作為等離子噴涂的主氣和送粉氣體。所采用的具體工藝參數(shù)如下:電流600A，電壓67.8V,氬氣60L/min,氫氣9.0L/min,送粉氣體(Ar)2.0L/min。噴涂距離為115mm。噴涂過程中，壓縮空氣用于冷卻試樣。這將作為干冰噴射一等離子噴涂試驗的對比試驗。
干冰噴射清洗系統(tǒng)采用移動式噴射系統(tǒng)裝置，其中包括噴槍、氣動馬達(dá)、干冰貯存箱和壓縮空氣供應(yīng)裝置。試驗采用了柱狀干冰顆粒(Ф3mm×（5-10)mm)，干冰顆粒由突馳 干冰制造機(jī)（干冰造粒機(jī)、 干冰制粒機(jī)、干冰機(jī)、 制冰機(jī)）制得。干冰顆粒的流量和干冰噴射清洗機(jī)（干冰噴射器、 干冰清洗機(jī)、 干冰噴射機(jī)、洗模機(jī)、 模具清洗機(jī)）噴槍與基體之間的距離分別為42 kg/h和25mm。
涂層的微觀形貌采用光學(xué)顯微鏡(OM)觀察并利用ImageJ圖像分析軟件分析涂層中的氧化
物含量和孔隙率。涂層的平均表面粗糙度采用Altimet A1tiSurf500粗糙度儀測量。噴涂過程中涂層表面的溫度演變曲線通過紅外攝像儀進(jìn)行監(jiān)控。涂層界面結(jié)合強(qiáng)度通過拉伸法測得。
此外，為了闡明干冰顆（微）粒噴射工藝對基體表面狀態(tài)的改變，干冰顆（微）粒噴射工藝還被用于處理預(yù)先涂覆有機(jī)污染物(丙三醇)的拋光基體。不同處理條件下的基體的潤濕角通過DIGIDROP影像分析法潤濕角測定儀測得，去離子水作為標(biāo)準(zhǔn)滴定液體。
2結(jié)果與討論
2.1干冰顆（微）粒噴射工藝對金屬涂層結(jié)構(gòu)的影響
干冰顆（微）粒噴射和壓縮空氣冷卻條件下等離子噴涂制備鋼涂層的顯微結(jié)構(gòu)，可以清楚地看出，干冰顆（微）粒噴射工藝后等離子噴涂在不銹鋼基體表面制備的鋼涂層顯示出非常致密的結(jié)構(gòu)，基于圖像分析的估算結(jié)果，涂層的孔隙率僅為0.23%，相比于壓縮空氣冷卻的0.55%而言，一方面，這是由于干冰顆（微）粒的撞擊所產(chǎn)生的機(jī)械作用具有一定的夯實效應(yīng)；另一方面，涂層中凸起的氧化群的減少也有助于減少涂層的孔隙率。
從壓縮空氣冷卻條件下涂層的微觀結(jié)構(gòu)可以看出，氧化群與孔隙共存于涂層中,這將會導(dǎo)致更加粗糙的表面形貌。傳統(tǒng)的空氣冷卻條件下，涂層的粗糙度Ra值可以達(dá)到16.54µm，而干冰顆（微）粒噴射條件下涂層的Ra值為7.21µm。
此外，相比于空氣冷卻制備的涂層，干冰顆（微）粒冷卻制備的涂層含有更少的氧化物(4.23%)，只有空氣冷卻條件下涂層含氧量(9.46%)的一半。一方面，這是由于干冰顆（微）粒的機(jī)械夯實效應(yīng)，這種效應(yīng)導(dǎo)致涂層具有較低的孔隙率，從而減少了氧的通道和氧化面積；另一方面，氧化物含量的減少也可以歸結(jié)為干冰顆（微）粒的冷卻效果。實際噴涂過程中的紅外測量結(jié)果，干冰顆（微）粒噴射預(yù)處理條件下工件表面的溫度為85℃，而傳統(tǒng)的空氣冷卻條件下的溫度為170℃。通常認(rèn)為溫度足夠高的條件下，金屬材料在基板上會繼續(xù)被氧化。這說明干冰顆（微）�？梢愿行У乩鋮s工件并且更穩(wěn)定地保持在較低的溫度下。
2.2干冰顆（微）粒噴射工藝對金屬涂層性能的影響
2.2.1結(jié)合強(qiáng)度
干冰噴射清洗對基體預(yù)處理條件下和傳統(tǒng)空氣冷卻條件下等離子噴涂制備的鋼涂層的結(jié)合強(qiáng)度的對比�？梢姼杀w（微）粒噴射對基體預(yù)處理后，鋼涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高了大約14%。這說明干冰顆（微）粒噴射的預(yù)處理過程一定程度上改變了基體表面狀態(tài)。這可能與干冰顆（微）粒噴射對基體上吸附的有機(jī)物質(zhì)的清潔效果有關(guān)，這種清洗作用將有助于在噴涂沉積過程中獲得理想的扁平圓盤顆粒，即有利于熔融粒子的鋪展。這一結(jié)果與等離子噴涂涂層過程中基體預(yù)熱的效果相類似。
2.2.2
潤濕角
不同條件下基體的潤濕角。在原始拋光的不銹鋼基體表面上測量得到的潤濕角為72.6º，而涂覆有機(jī)物質(zhì)丙三醇的不銹鋼基體表面的潤濕角對應(yīng)10.8º。這意味著預(yù)先涂覆的有機(jī)物質(zhì)大大改變了基體表面的潤濕性。然而，經(jīng)過干冰顆（微）粒噴射處理后，基體表面的潤濕角又升高到69.9º，非常接近初始拋光基板的潤濕角72.6º。
基于以上這些結(jié)果可以確定干冰顆（微）粒噴射工藝確實對基體表面吸附的有機(jī)污染物，如丙三醇，具有一定的清潔作用。這種清潔作用是干冰顆粒的低溫、機(jī)械和升華的綜合效應(yīng)。干冰顆粒由專用的 干冰制造機(jī)（干冰造粒機(jī)、干冰制粒機(jī)、干冰機(jī)、制冰機(jī)）制得，以壓縮空氣為載體，利用干冰清洗機(jī)（干冰噴射機(jī)、干冰噴射清洗機(jī)、干冰噴射器、洗模機(jī)、模具清洗機(jī)）高速作用于污物表面，利用其超低溫使處理物表面的污垢在極短的時間內(nèi)凍到脆化甚至爆裂，干冰顆粒碰撞后立即氣化，其體積在瞬間內(nèi)膨脹近600~800倍，從而將污物帶離物體表面。研究表明，基材表面的狀態(tài)在熱噴涂過程中對粒子濺射的發(fā)生起著重要作用。不利的表面狀態(tài)將不利于熔融粒子與基體的接觸甚至引起飛濺。此外，熔融液滴與基板之間的熱接觸阻抗也與基體的表面潤濕性有很大的關(guān)系，這也是影響涂層結(jié)構(gòu)的一個重要參數(shù)。
因此，干冰顆（微）粒噴射工藝對基體上吸附的有機(jī)污染物質(zhì)的清潔作用，將有助于基體上形成近
圓形的扁平粒子。涂層最終可以表現(xiàn)出更好的結(jié)合強(qiáng)度。
3結(jié)論
(1)應(yīng)用干冰噴射清洗工藝后，等離子噴涂制備的鋼涂層具有致密的結(jié)構(gòu)，涂層的氧化程度和粗糙度都得到了很大的改善。
(2)干冰顆（微）粒的機(jī)械夯實效應(yīng)促成了致密的微觀結(jié)構(gòu)和氧化物的減少；而且干冰顆（微）粒具有更高的冷卻效率。
(3) 干冰噴射清洗工藝對基體的預(yù)處理使得涂層的結(jié)合強(qiáng)度提高了將近14%。
(4)除了冷卻和機(jī)械作用外，干冰顆（微）粒噴射工藝對基體上吸附的有機(jī)物質(zhì)具有清潔作用，主要基于熱、機(jī)械和膨脹的綜合效應(yīng)。
|
