[发明专利]一种等离子喷涂陶瓷涂层改性用玻璃粉、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种玻璃粉及其制备工艺，尤其涉及一种等离子喷涂陶瓷涂层改性用玻璃粉及其制备工艺。

背景技术

随着现代科技的不断发展，各工业部门尤其是冶金、化工、宇航、能源等部门的使用工况的腐蚀环境越来越苛刻，腐蚀问题越来越严重。在有些情况下，普通金属材料甚至是特种合金材料都难以满足其耐蚀性要求时，陶瓷涂层就显示出其特有的耐蚀性，获得越来越广泛的应用。大多数陶瓷材料由于其稳定的晶体结构和较强的化学键力，表现出很强的化学惰性，不像金属材料那样因自由电子转移得失而容易被腐蚀。在自然环境中，包括大气、水等环境中，陶瓷材料腐蚀速率很小，常通过等离子喷涂的方式在金属基体表面获得陶瓷涂层用于耐腐蚀领域。等离子喷涂是以等离子弧为热源，通过高温、高速、高焓焰流使高熔点材料熔融而获得高质量复合涂层的喷涂方式，尤其适制备陶瓷涂层。由于陶瓷涂层具有高硬度、高耐腐蚀、耐磨等优点而广泛用于机械的表面防护。在多种陶瓷涂层中，Al₂O₃-13wt.%TiO₂（AT13）复合氧化物陶瓷涂层在航空航天、军工、水利等相关设备的近百种零部件上获得了广泛应用。但由于等离子喷涂工艺决定了所得涂层的层状结构，在喷涂过程中不可避免的会产生孔隙、微裂纹等缺陷，这些缺陷的存在为腐蚀介质渗入提供了通道。在腐蚀环境下，腐蚀介质通过陶瓷层的缺陷到达涂层/金属的界面，在金属表面发生严重的电化学腐蚀，腐蚀液一旦渗入，腐蚀反应发展迅速，腐蚀产物膨胀，加之陶瓷涂层内部残余应力作用使得微裂纹扩展，引起涂层开裂及剥落，大大降低了涂层在腐蚀环境中的使用寿命，限制了等离子喷涂陶瓷涂层在耐腐蚀行业的应用。涂层中孔隙、裂纹等结构缺陷的存在，不仅降低了涂层的耐腐蚀性能，而且降低了涂层的机械性能，影响了涂层的微观组织结构和显微硬度，易引起涂层内微裂纹的产生，甚至影响涂层的结合性能。由此可见，提高涂层致密度，使孔隙率降低或封闭孔隙是提高涂层服役寿命的关键要素之一。

多年来，很多学者在提高涂层致密度、改善陶瓷涂层耐蚀性方面进行了研究，主要可分为工艺改进和后处理，通过优化工艺参数提高涂层的致密度，降低孔隙率，但由于等离子喷涂工艺本身的特点决定了缺陷的存在，通过工艺改进的方法提高致密度的程度是有限的。后处理的方法研究的也比较多，如封孔处理，即对涂层表面的孔隙、贯穿孔及微裂纹进行封闭，以提高涂层的耐腐蚀、耐磨损性能。近年来，国内外开发了多种封孔方法，如使用封孔剂直接进行封孔处理、采用溶胶-凝胶、加热扩散-激光照射等方法进行封孔处理、利用粉末材料本身的性质进行封孔处理以及电镀封孔等方法。

溶胶-凝胶封孔可使涂层致密度增加，并提高结合强度，但是温度的控制受到严格限制，难以获得满意的效果，温度低时凝胶化不充分使封孔处理不完全，而温度超过300℃，由于封孔处理剂自身无机化而形成坚固的玻璃质封孔层，同时发生大幅度的收缩，使密封层再次产生裂纹，反而恶化了耐腐蚀性能。采用激光照射进行封孔处理可得到致密的表层，但激光工艺参数不易控制，功率太大可能导致陶瓷涂层产生裂纹、剥落等问题。针对此问题，Liscano等采用有机封孔剂预先对陶瓷涂层进行浸润，然后用激光重熔，得到了较好的效果。但激光重熔成本较高，且容易在涂层内部产生二次应力，降低涂层的结合性能。

利用粉末材料本身的性质进行封孔处理也是目前常见的处理方法，有些利用了某些金属-陶瓷复合粉末具有良好的自密封作用，使涂层中的微孔自行焊合，形成致密无孔的涂层，如专利号为201510591945.X的专利。封孔剂直接封孔法由于操作简单，容易实现而获得较广泛的应用，但这种方法的耐腐蚀效果受制于封孔剂的性质，无法从根本上解决问题并实现长效防腐。

无论是对制备的涂层进行后加热处理以使涂层内部微裂纹弥合并提高涂层致密度，还是通过有机树脂进行封孔处理，均不能满足效果好且成本低的实际需求，加热效果不显著，而有机树脂可以提高涂层的耐腐蚀性，但无形中提高了成本，后处理的方式只能治标不能治本。因此，考虑从源头出发，改善喷涂粉末的性质，从而改善涂层的质量。以等离子喷涂常用的Al₂O₃-13wt.%TiO₂为例，该粉末的形貌颗粒呈多边形，而不是圆形，这就决定了经过等离子焰流高速高焓加热得到的熔滴不能完全铺展成平片装，即熔滴铺展成型后得到的涂层中存在大量孔隙。