一种耐蚀隔热涂层体系及其制备方法与流程

技术领域：

本发明属于表面工程耐蚀隔热材料技术领域，具体涉及一种耐蚀隔热涂层体系及其制备方法，在铝合金表面喷涂耐蚀隔热涂层，以使铝合金材质的部件在海洋环境中得到广泛应用。

背景技术：
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铝合金以其比强度和比刚度高以及减振性好的一系列优点在航空、航天、汽车、电子和家电等行业具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景，但是因为铝合金的化学性质活泼，容易遭受腐蚀、硬度低，不耐磨、熔点低，耐热性能差,限制了铝合金在抗热环境的研究和应用发展缓慢；表面处理能有效改进各种铝合金的表面性能,提高耐腐蚀、耐磨耗和耐热性能，使用最广泛的防护方法是在铝合金基体上喷涂热障涂层，热障涂层的制备方法包括电子束物理气相沉积法(eb-pvd)、火焰喷涂、等离子喷涂(aps)、超音速火焰喷涂(hvof)和爆炸喷涂等，其中，等离子喷涂、粉末火焰喷涂、超音速火焰喷涂和爆炸喷涂均属于热喷涂技术，区别在于通过不同的加热方式使颗粒在不同结构的喷枪中熔化进行喷涂，热喷涂技术的原理是利用燃烧能或电能将喷涂粉末熔化成熔融态或半熔融态后通过气流吹动使其雾化，高速喷射到基体表面形成喷涂层；喷涂层与基体之间以及喷涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合或填塞等机械形式连接，其次是通过微区冶金结合以及化学键结合。涂层中作为工作层的材料主要为al2o3(氧化铝)或zro2(二氧化锆)等高性能、低导热系数的陶瓷材料；复合涂层的引入使涂层的内聚强度和涂层与基体的结合强度都得到了明显提高，并且使得涂层中的热应力得到缓解，从而增强了涂层的抗热震性能和服役寿命。目前，热障涂层以mcraly(粘接层)+zro2为主要体系，其中m(金属)是co(钴)或ni(镍)或者两者的混合组份，能够粘接涂层与基体并起到过度应力的作用，zro2通过添加yo2(氧化钇)起到隔热和稳定体积的作用，mcraly中的al(铝)通过生成al2o3(tgo热生长层)起到阻止氧气扩散氧化基体的作用。

由于热喷涂方法是在高温下进行的操作，所以对基体的热损伤大，而且热喷涂方法制备的涂层孔隙率较高，涂层长期处于海洋环境中不可避免的会遭受海洋环境的腐蚀；在盐雾环境中，盐雾沿孔隙到达基体的粘结层和基体，同样会造成粘结层和基体遭受海洋环境的腐蚀，腐蚀产物会导致隔热陶瓷层结合力下降使涂层最终发生脱落失效；同时，mcraly+zro2涂层体系在诸多应用实例中表明，其耐蚀性能(非热腐蚀)较差，不适合海洋环境的腐蚀防护，从而，设计新的适合海洋环境防腐的涂层体系成为了迫切需求，相关专利文献中的烧结热涨涂层是在铝、镁合金及其复合材料表面，先通过硅酸盐和磷酸盐体系等离子体电解液使铝、镁合金及其复合材料表面电解氧化成膜介质，再在等离子电解氧化膜基础上以电泳沉积电解液的电泳沉积，制得铝、镁合金及其复合材料表面热障涂层，其仍然不能解决膨胀系数大的问题，没有得到推广使用。因此，研发设计一种用于海洋环境中铝合金耐蚀隔热涂层体系及其制备方法，基于冷喷涂技术改善铝合金表面涂层的性能，具有良好的社会和经济效益。

技术实现要素：
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本发明的目的在于克服现有技术中铝合金表面存在热障涂层防腐性能差的缺点，研发设计一种铝合金耐蚀隔热涂层体系及其制备方法，在铝合金基体上制备性能良好的耐热涂层，使基体到涂层的物理参数过度平稳，在海洋环境中使用时能够抵御飞溅海水的腐蚀和热震破坏。

为了实现上述目的，本发明涉及的耐蚀隔热涂层体系的主体结构包括复合打底层、防腐层、隔热层和封闭层；铝合金基体的上表面喷涂有复合打底层，复合打底层的表面喷涂有防腐层，防腐层的表面喷涂有隔热层，隔热层的表面喷涂有封闭层；复合打底层是将ni粉末与al粉末混合后采用低压冷喷涂工艺喷涂在铝合金基体的上表面制备而成的，其中ni的重量百分比为10-20％，以使复合打底层的热膨胀系数与铝合金基体的热膨胀系数相近，复合打底层的厚度为50-200μm；防腐层是将zn粉末与ni粉末混合后采用冷喷涂或热喷涂工艺喷涂在复合打底层的表面制备而成的，其中ni的重量百分比为20-30％，防腐层的涂层厚度为80-120μm，防腐层具有隔离铝合金基体与外界环境的作用；隔热层是由4-8层复合隔热层构成，复合隔热层是将m粉末、cr粉末和al粉末的混合粉末与al2o3或zro2粉末混合后采用高压冷喷涂工艺喷涂在防腐层的表面制备而成的，其中m粉末为co粉末或ni粉末或co粉末与ni粉末的混和粉末，隔热层中的mcral粉末的重量百分比从80％向0％过渡，每层间的过渡量小于30％，最表层的al2o3粉末或zro2粉末采用等离子喷涂工艺喷涂，复合隔热层的厚度为50-80μm，隔热层的厚度为200-640μm，隔热层涵盖梯度的和单一的成份变化；封闭层是将al2o3粉末或zro2粉末与封闭剂混合后采用热喷涂工艺喷涂在隔热层的表面制备而成的，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比为20-60％，封闭层的厚度为200-300μm，封闭层具有将环境中的热量和腐蚀与铝合金基体隔离的作用。

本发明涉及的耐蚀隔热涂层体系制备方法的具体工艺过程包括预处理基体、制备复合打底层、制备防腐层、制备隔热层和制备封闭层共五个步骤：

(1)预处理基体：将经过油水分离器和缓冲罐的压力为0.6mpa的压缩空气通入喷枪，采用棕刚玉对铝合金基体的表面进行喷砂活化除锈，铝合金基体的粗糙度为20-80um，目测铝合金基体的表面外观均匀一致，无可见的油脂、污垢、氧化皮、孔洞、尖锐表面、缝隙和油漆涂层的附着物后，采用吸尘器对铝合金基体的表面进行除尘处理，完成基体的预处理；

(2)制备复合打底层：在车间或复合设定要求的场地将步骤(1)预处理后的铝合金基体预热到90-120℃，采用低压冷喷涂工艺将粒径为5-20μm的ni粉末和粒径为10-30μm的al粉末的混和粉末喷涂在铝合金基体的上表面形成厚度为50-80μm的复合打底层，喷涂过程中的喷涂温度为350-550℃，喷枪与铝合金基体之间的直线距离为5-50mm，喷枪与铝合金基体之间夹角的角度为60-90°，喷枪的送粉率小于2.5g/s，喷枪的移动速度与送粉率匹配，喷涂过程中采用压力大于0.7mpa的压缩空气、氮气、氦气或者以上几种气体的混合物对铝合金基体进行喷涂，完成复合打底层的制备；

(3)制备防腐层：检查复合打底层的外观，确保复合打底层无孔洞、尖锐表面和缝隙，将喷涂有复合打底层的铝合金基体预热到90-120℃，采用火焰喷涂、电弧喷涂或冷喷涂工艺将zn粉末和ni粉末的混和粉末喷涂在复合打底层的表面上形成znni复合涂层或znni合金涂层，喷涂过程中，喷枪与铝合金基体之间夹角的角度为60-90°，完成防腐层的制备；

(4)制备隔热层：采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂和高压冷喷涂工艺将粒径为10-50μm的mcral粉末与粒径为20-150μm的al2o3粉末的混和粉末或粒径为10-50μm的mcral粉末与粒径为20-150μm的zro2粉末的混和粉末喷涂在防腐层的表面上形成4-8层的复合隔热层，其中m为co粉末或ni粉末或co粉末与ni粉末的混和粉末，复合隔热层中的mcral粉末的重量百分比从80％向0％过渡，每层间的过渡量小于30％，最表层的al2o3粉末或zro2粉末采用等离子喷涂工艺喷涂，复合隔热层的单层厚度为50-80μm，4-8层的复合隔热层形成厚度为200-640μm的隔热层，完成隔热层的制备；

(5)制备封闭层：对封闭剂按照设定要求进行冲稀，以保证封闭剂的渗透性，采用热喷涂工艺将al2o3粉末或zro2粉末与冲稀后的封闭剂混合后喷涂在隔热层的表面上形成厚度为200-300μm的封闭层，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比为20-60％，封闭剂包括沥青基铝浆、铝硅酮树脂及硅酸盐和铬酸盐的无机物，完成封闭层的制备。

本发明涉及的等离子喷涂工艺是将熔融或半熔融的变形粒子堆叠于金属基体表面而形成涂层，变形粒子在堆叠时，不是完全重叠的，而是交错堆叠的，而且，变形粒子的飞行速度和温度不同，使不断堆叠起来的粒子呈现出明显的不规则状，导致堆叠粒子之间存在缝隙，而在涂层形成过程中，变形粒子从熔融态转变为固态，温度不断下降，变形粒子快速凝固，从熔融态粒子间析出的气体来不及从粒子堆内逸出，在涂层中形成气孔，因此，需要对涂层的表面进行封闭处理；低压冷喷涂工艺是一种基于空气动力学原理的材料表面改性新技术，其利用＜600℃的低温预热高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管形成超音速气-固双相流，以超高速在完全固态下撞击基体，在整个过程中，由于喷涂温度低，粒子保持固体状态、不会发生化学反应及相变、不易发生固体粒子膨胀和氧化现象，在撞击过程中粉末颗粒发生塑性变形紧密结合在一起形成涂层，冷气动力喷涂能够实现低温状态下的金属涂层沉积，喷涂过程中对基体的热影响小，材料不发生相变，而且涂层致密、孔隙率低，弥补了热喷涂技术的缺陷，为提高复合涂层耐高温和耐腐蚀性能开辟了新的技术道路。

本发明与现有技术相比，首先在铝基体表面进行预处理，再利用低压冷喷涂制备粘结防腐层，然后利用高压冷喷涂方法制备梯度/渐变的粘结过度层，最后利用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，使得铝合金基体与腐蚀环境完全隔绝，提升了铝合金基体的耐用性，喷涂过程中的热输入量小，避免了铝合金基体遭受破坏，冷喷涂工艺的压应力特性能够提升涂层体系的耐热循环疲劳性能，从而显著提升铝合金基体的耐蚀和耐热能力，下层涂层完成喷涂后立即进行上层涂层，喷涂面不用进行喷砂处理，复合打底层和隔热层涵盖梯度的和单一的成份变化；其耐蚀隔热涂层体系结构简单，耐蚀隔热效果好，使用环境友好，寿命周期长，其制备方法易操作，原理科学可靠，安全环保，提高了涂层体系层间的结合强度，加强了涂层体系与基体的腐蚀相容性，具有良好的推广和应用前景。

附图说明：

图1为本发明涉及的耐蚀隔热涂层体系的主体结构原理示意图。

图2为本发明实施例1涉及的耐蚀隔热涂层体系的厚度结构图。

图3为本发明实施例1涉及的耐蚀隔热涂层体系的晶相图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的耐蚀隔热涂层体系的主体结构包括复合打底层2、防腐层3、隔热层4和封闭层5；铝合金基体1的上表面喷涂有复合打底层2，复合打底层2的表面喷涂有防腐层3，防腐层3的表面喷涂有隔热层4，隔热层4的表面喷涂有封闭层5；复合打底层2是将ni粉末与al粉末混合后采用低压冷喷涂工艺喷涂在铝合金基体1的上表面制备而成的，其中ni的重量百分比为10-20％，以使复合打底层2的热膨胀系数与铝合金基体1的热膨胀系数相近，复合打底层2的厚度为50-200μm；防腐层3是将zn粉末与ni粉末混合后采用冷喷涂或热喷涂工艺喷涂在复合打底层2的表面制备而成的，其中ni的重量百分比为20-30％，防腐层3的涂层厚度为80-120μm，防腐层3具有隔离铝合金基体1与外界环境的作用；隔热层4是由4-8层复合隔热层构成，复合隔热层是将m粉末、cr(铬)粉末和al粉末的混合粉末与al2o3(氧化铝)或zro2粉末混合后采用高压冷喷涂工艺喷涂在防腐层3的表面制备而成的，其中m粉末为co粉末或ni粉末或co粉末与ni粉末的混和粉末，隔热层4中的mcral粉末的重量百分比从80％向0％过渡，每层间的过渡量小于30％，最表层的al2o3粉末或zro2粉末采用等离子喷涂工艺喷涂，复合隔热层的厚度为50-80μm，隔热层4的厚度为200-640μm，隔热层4涵盖梯度的和单一的成份变化；封闭层5是将al2o3粉末或zro2粉末与封闭剂混合后采用热喷涂工艺喷涂在隔热层4的表面制备而成的，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比为20-60％，封闭层5的厚度为200-300μm，封闭层5具有将环境中的热量和腐蚀与铝合金基体1隔离的作用。

本实施例涉及的耐蚀隔热涂层体系制备方法的具体工艺过程包括预处理基体、制备复合打底层2、制备防腐层3、制备隔热层4和制备封闭层5共五个步骤：

(1)预处理基体：将经过油水分离器和缓冲罐的压力为0.6mpa的压缩空气通入喷枪，采用棕刚玉对铝合金基体1的表面进行喷砂活化除锈，铝合金基体1的粗糙度为20-80um，目测铝合金基体1的表面外观均匀一致，无可见的油脂、污垢、氧化皮、孔洞、尖锐表面、缝隙和油漆涂层的附着物后，采用吸尘器对铝合金基体1的表面进行除尘处理，完成基体的预处理；

(2)制备复合打底层2：在车间或复合设定要求的场地将步骤(1)预处理后的铝合金基体1预热到90-120℃，采用低压冷喷涂工艺将粒径为5-20μm的ni粉末和粒径为10-30μm的al粉末的混和粉末喷涂在铝合金基体1的上表面形成厚度为50-80μm的复合打底层2，喷涂过程中的喷涂温度为350-550℃，喷枪与铝合金基体1之间的直线距离为5-50mm，喷枪与铝合金基体1之间夹角的角度为60-90°，喷枪的送粉率小于2.5g/s，喷枪的移动速度与送粉率匹配，喷涂过程中采用压力大于0.7mpa的压缩空气、氮气、氦气或者以上几种气体的混合物对铝合金基体1进行喷涂，完成复合打底层2的制备；

(3)制备防腐层3：检查复合打底层2的外观，确保复合打底层2无孔洞、尖锐表面和缝隙，将喷涂有复合打底层2的铝合金基体1预热到90-120℃，采用火焰喷涂、电弧喷涂或冷喷涂工艺将zn粉末和ni粉末的混和粉末喷涂在复合打底层2的表面上形成znni复合涂层或znni合金涂层，喷涂过程中，喷枪与铝合金基体1之间夹角的角度为60-90°，完成防腐层3的制备；

(4)制备隔热层4：采用等离子喷涂、超音速火焰喷涂和高压冷喷涂工艺将粒径为10-50μm的mcral粉末与粒径为20-150μm的al2o3粉末的混和粉末或粒径为10-50μm的mcral粉末与粒径为20-150μm的zro2粉末的混和粉末喷涂在防腐层3的表面上形成4-8层的复合隔热层，其中m为co粉末或ni粉末或co粉末与ni粉末的混和粉末，复合隔热层中的mcral粉末的重量百分比从80％向0％过渡，每层间的过渡量小于30％，最表层的al2o3粉末或zro2粉末采用等离子喷涂工艺喷涂，复合隔热层的单层厚度为50-80μm，4-8层的复合隔热层形成厚度为200-640μm的隔热层4，完成隔热层4的制备；

(5)制备封闭层5：对封闭剂按照设定要求进行冲稀，以保证封闭剂的渗透性，采用热喷涂工艺将al2o3粉末或zro2粉末与冲稀后的封闭剂混合后喷涂在隔热层4的表面上形成厚度为200-300μm的封闭层5，其中al2o3粉末或zro2粉末的重量百分比为20-60％，封闭剂包括沥青基铝浆、铝硅酮树脂及硅酸盐和铬酸盐的无机物，完成封闭层5的制备。

本实施例涉及的等离子喷涂工艺是将熔融或半熔融的变形粒子堆叠于金属基体表面而形成涂层，变形粒子在堆叠时，不是完全重叠的，而是交错堆叠的，而且，变形粒子的飞行速度和温度不同，使不断堆叠起来的粒子呈现出明显的不规则状，导致堆叠粒子之间存在缝隙，而在涂层形成过程中，变形粒子从熔融态转变为固态，温度不断下降，变形粒子快速凝固，从熔融态粒子间析出的气体来不及从粒子堆内逸出，在涂层中形成气孔，因此，需要对涂层的表面进行封闭处理；低压冷喷涂工艺是一种基于空气动力学原理的材料表面改性新技术，其利用＜600℃的低温预热高压气体携带粉末颗粒经缩放型拉瓦尔喷管形成超音速气-固双相流，以超高速在完全固态下撞击基体，在整个过程中，由于喷涂温度低，粒子保持固体状态、不会发生化学反应及相变、不易发生固体粒子膨胀和氧化现象，在撞击过程中粉末颗粒发生塑性变形紧密结合在一起形成涂层，冷气动力喷涂能够实现低温状态下的金属涂层沉积，喷涂过程中对基体的热影响小，材料不发生相变，而且涂层致密、孔隙率低，弥补了热喷涂技术的缺陷，为提高复合涂层耐高温和耐腐蚀性能开辟了新的技术道路。

实施例2：

本实施例涉及的耐蚀隔热涂层体系的主体结构包括复合打底层2、防腐层3、隔热层4和封闭层5；铝合金基体1的上表面喷涂有复合打底层2，复合打底层2的表面喷涂有防腐层3，防腐层3的表面喷涂有隔热层4，隔热层4的表面喷涂有封闭层5；复合打底层2是将ni粉末与al粉末混合后采用低压冷喷涂工艺喷涂在铝合金基体1的上表面制备而成的；防腐层3是将zn粉末与ni粉末混合后采用火焰喷涂工艺喷涂在复合打底层1的表面制备而成的；隔热层4是将co粉末、ni粉末、cr(铬)粉末、al粉末和y(钇)粉末的混合粉末与zro2按照重量比为1:1混合后采用超音速火焰喷涂工艺喷涂在防腐层3的表面制备而成的，其中最表面的zro2涂层采用等离子喷涂工艺；封闭层5是zro2粉末与封闭剂混合后采用热喷涂工艺喷涂在隔热层4的表面制备而成的；复合打底层2的厚度为120μm，防腐层3的厚度为100μm，隔热层4的厚度为540μm和封闭层5的厚度为200μm，耐蚀隔热涂层体系的厚度为960μm。

本实施例涉及的耐蚀隔热涂层体系在在实验室进行实验验证表明各个涂层之间的结合强度大于30mpa，1500℃火焰热烧蚀30s后封闭层5的表面无烧损变色，盐雾1500h后封闭层5的表面无白锈。