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微颗粒干冰清洗机清洗等离子喷涂金属涂层研究-行业动态

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-12-14 4:09:33 * 浏览: 28

摘 要

微颗粒干冰清洗机被应用到大气等离子喷涂中以改善涂层的性能。文中采用等离子喷涂和干冰微 粒喷射工艺在不锈钢基体表面制备了钢涂层,并研究了涂层的微观结构、孔隙率、温度、氧化、表面粗糙度和 结合强度等性能。结果表明,由于干冰微粒喷射具有较高的冷却效率,加之干冰微粒撞击所产生的机械作用,等离子喷涂制备的钢涂层呈现出更致密的结构特征。相比于空气冷却制备的涂层,干冰微粒冷却制备的涂层含有更少的氧化物。另外,干冰微粒喷射工艺对基体的预处理使得涂层的结合强度提高了将近14%,这 是由于干冰微粒喷射工艺对基体上吸附的有机物质具有清洁作用,主要基于干冰颗粒的热、机械和膨胀的综 合效应。 


关键词

大气等离子喷涂;干冰微粒喷射;金属涂层


引言

大气等离子喷涂(APS)由于其相对较高的沉积效率、低成本和高灵活性,被广泛地用于工 业界,尽管大气等离子喷涂制备金属涂层过程中存在部分氧化。这主要是由周围空气卷入高 温粒子导致。涂层中的氧化物对涂层的结构和性能具有一些不利影响,尤其是对于金属涂层。因 此,大 量 文 献 报 道 真 空 等 离 子 喷 涂 (VPS),低压等离子喷涂(LPPS)或冷气体动力喷 涂(CGDS)制备金属或者合金涂层,如 MCrAlY 合金和 FeAl合金等。但是它们毕竟不是沉 积这些涂层最有效并且节约成本的方法。 文中介绍了在等离子喷涂过程中引入干冰 微粒喷射工艺,目的是提高涂层的性能,特别是 减少金属涂层中的氧化物含量。干冰微粒喷射 工艺是利用高品质可调节的压缩空气作为动力 源,把较低温度的干冰颗粒(常压下干冰的升华 温度为-78.50 ℃)通过专用设备加速到被作用 表面的过程。干冰微粒喷射工艺目前被广泛地 应用在清洗行业。干冰微粒喷射工艺,作为一种 环境友好型方法,应用在 APS的过程中是非常有 意义的,对基体的净化作用有利于扁平粒子的铺 展。实际上,在热喷涂过程中,将基体预热到一 定温度,例如400 ℃,也能清洁吸附在基体上的 有机 物 等,最 终 导 致 近 圆 饼 形 扁 平 颗 粒 的 产 生。但在实际工业生产中,预热的高温基体无 疑会产生表面氧化,这将会促进涂层的失效。基 于干冰的低温效应,以及干冰与作用物体表面之 间的能量和动量的转移作用,干冰微粒喷射在热 喷涂过程中或许可以起到更好的散热效果和净 化效果。干冰微粒喷射工艺的优点还在于作为 工作介质的固体二氧化碳在被作用表面上会全 部挥发,无残留物质,不仅能提高表面清洁度,而 且符合 USDA、FDA、EPA 的安全环保要求。目 前,尚没有发现其他研究机构报道干冰微粒喷射 法应用在热喷涂领域。一旦干冰微粒喷射法被 证实在等离子喷涂金属涂层过程中具有良好的 效果,这将会推进大气等离子喷涂制备金属或者 合金涂层的应用。


试验材料及方法

试验材 料 选 用 钢 粉 (Sulzer Metco Amdry XPT512)制备涂层,作为金属涂层的典型代表; 基体选用316L不锈钢板。沉积涂层前对表面进 行了喷砂粗化处理。试验装置采用 F4大气等离 子枪(Sulzer Metco),氩气作为等离子喷涂的主 气和送粉气体。所采用的具体工艺参数如下:电流 600A,电压67.8V,氩气60L/min,氢气9.0L/min, 送粉气体(Ar)2.0L/min。喷涂距离为115mm。

喷涂过程 中,压 缩 空 气 用 于 冷 却 试 样。这 将 作 为干冰喷射 等离子喷涂试验的对比试验。 干冰微粒喷射采用的SP37B移动式喷射系统 装置,其中包括喷枪、气动马达、干冰贮存箱和压 缩空 气 供 应 装 置。试 验 采 用 了 柱 状 干 冰 颗 粒 (Φ3mm×(5~10)mm),干冰颗粒的流量和干冰 喷枪与基体之间的距离分别为42kg/h和25mm。 喷涂过程示意图如图1所示。

图1 等离子喷涂和干冰微粒喷射示意图


涂层的微观形貌采用光学显微镜(OM)观察 并利用ImageJ图像分析软件分析涂层中的氧化 物含量和孔隙率。涂层的平均表面粗糙度采用 AltimetAltiSurf500粗糙度仪测量。喷涂过程中 涂层表面的温度演变曲线通过红外摄像仪进行 监控。涂层界面结合强度通过拉伸法测得。 此外,为了阐明干冰微粒喷射工艺对基体表 面状态的改变,干冰微粒喷射工艺还被用于处理 预先涂覆有机污染物(丙三醇)的抛光基体。不 同处理条件下的基体的润湿角通过 DIGIDROP 影像分析法润湿角测定仪测得,去离子水作为标 准滴定液体。


结果与讨论

干冰微粒喷射工艺对金属涂层结构的影响

图2为干冰微粒喷射和压缩空气冷却条件 下等离子喷涂制备钢涂层的显微结构,可以清楚 地看出,干冰微粒喷射工艺后等离子喷涂在不锈 钢基体表面制备的钢涂层显示出非常致密的结 构,如图2(b)。基于图像分析的估算结果,涂 层 的孔隙率仅为0.23%,相比于压缩空气冷却的0.55%而言,一方面,这是由于干冰微粒的撞击 所产生的机械作用具有一定的夯实效应;另一方 面,涂层中凸起的氧化群的减少也有助于减少涂 层的孔隙率。

图2 等离子喷涂制备钢涂层的显微形貌

从压缩空气冷却条件下涂层的微观结构可 以看出(图2(a)),氧化群与孔隙共存于涂层中, 这将会导致更加粗糙的表面形貌,如图3所示。 传统的空气冷却条件下,涂层的粗糙度 犚a值可 以达到16.54μm,而干冰微粒喷射条件下涂层的 犚a值为7.21μm。 此外,相比于空气冷却制备的涂层,干冰微 粒冷却制备的涂层含有更少的氧化物(4.23%), 只有空气冷却条件下涂层含氧量(9.46%)的一 半。一方 面,这 是 由 于 干 冰 微 粒 的 机 械 夯 实 效 应,这种效应导致涂层具有较低的孔隙率,从而 减少了氧的通道和氧化面积;另一方面,氧化物 含量的减少也可以归结为干冰微粒的冷却效果。 实际喷涂过程中的红外测量结果显示如图4,干 冰微粒 喷 射 预 处 理 条 件 下 工 件 表 面 的 温 度 为 85 ℃,而 传 统 的 空 气 冷 却 条 件 下 的 温 度 为 170 ℃。通常认为温度足够高的条件下,金属材料在基板上会继续被氧化。这说明干冰微粒可以 更有效地冷却工件并且更稳定地保持在较低的 温度下。

图3 等离子喷涂钢涂层的表面粗糙度


干冰微粒喷射工艺对金属涂层性能的影响

图5为干冰微粒喷射对基体预处理条件下 和传统空气冷却条件下等离子喷涂制备的钢涂 层的结合强度的对比。由图可见,干冰微粒喷射 对基体预处理后,钢涂层的结合强度提高了大约 14%。这说明干冰微粒喷射的预处理过程一定 程度上改变了基体表面状态。这可能与干冰微 粒喷射对基体上吸附的有机物质的清洁效果有 关,这种清洗作用将有助于在喷涂沉积过程中获 得理想的扁平圆盘颗粒,即有利于熔融粒子的铺 展。这一结果与等离子喷涂涂层过程中基体预 热的效果相类似[8]。

图5 钢涂层的拉伸试验结果比较


润湿角

表1给出了不同条件下基体的润湿角。在 原始抛光的不锈钢基体表面上测量得到的润湿 角为72.6°,而涂覆有机物质丙三醇的不锈钢基 体表面的润湿角对应10.8°。这意味着预先涂覆 的有机物质大大改变了基体表面的润湿性。然 而,经过干冰微粒喷射处理后,基体表面的润湿 角又升高到69.9°,非常接近初始抛光基板的润 湿角72.6°。 基于以上这些结果可以确定干冰微粒喷射 工艺确实对基体表面吸附的有机污染物,如丙三 醇,具有一定的清洁作用。这种清洁作用是干冰 颗粒的低温、机械和升华的综合效应。干冰颗粒 以压缩空气为载体,以一定的速度作用于污物表 面,利用其超低温使处理物表面的污垢在极短的 时间内冻到脆化甚至爆裂,干冰颗粒碰撞后立即 气化,其体积在瞬间内膨胀近600~800倍,从而 将污物带离物体表面。

研究表明,基材表面的状 态在热喷涂过程中对粒子溅射的发生起着重要 作用。不利的表面状态将不利于熔融粒子与基 体的接触甚至引起飞溅。此外,熔融液滴与基板 之间的热接触阻抗也与基体的表面润湿性有很 大的 关 系,这 也 是 影 响 涂 层 结 构 的 一 个 重 要 参数。 因此,干冰微粒喷射工艺对基体上吸附的有 机污染物质的清洁作用,将有助于基体上形成近 圆形的扁平粒子。涂层最终可以表现出更好的 结合强度。

表1 不同处理条件下基体的润湿角


结 论

(1)应用干冰微粒喷射工艺后,等离子喷涂 制备的钢涂层具有致密的结构,涂层的氧化程度和粗糙度都得到了很大的改善。 

(2)干冰微粒的机械夯实效应促成了致密的 微观结构和氧化物的减少;而且干冰微粒具有更 高的冷却效率。 

(3)干冰微粒喷射工艺对基体的预处理使得 涂层的结合强度提高了将近14%。 

(4)除了冷却和机械作用外,干冰微粒喷射 工艺对基体上吸附的有机物质具有清洁作用,主 要基于热、机械和膨胀的综合效应。


致谢

感谢科研中心为该研究项目提供配套相关设备。