防結(jié)垢、防腐蝕多層復(fù)合涂層的體系及性能研究*

唐才宇 崔蓮順/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

防結(jié)垢、防腐蝕多層復(fù)合涂層的體系及性能研究*

唐才宇 崔蓮順/沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司

本文對(duì)一種適用于透平領(lǐng)域的防結(jié)垢、防腐蝕復(fù)合涂層的成分和性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，由自犧牲底層、有機(jī)抑制中間層和防粘結(jié)頂層組成的復(fù)合涂層具有優(yōu)異的防腐蝕能力，涂層在ASS實(shí)驗(yàn)條件下的防腐蝕能力遠(yuǎn)高于裸材；涂層表面的防粘結(jié)能力理想，其表面的水接觸角為鈍角。此外，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度非常高，這保證了復(fù)合涂層在產(chǎn)品上面使用時(shí)的可靠性和安全性。本研究成果可以在腐蝕和含有較多污垢的條件下有效延長(zhǎng)透平機(jī)械過(guò)流部件的壽命并有利于氣動(dòng)性能，具備經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。

復(fù)合涂層；過(guò)流部件；防結(jié)垢；防腐蝕

0 引言

離心壓縮機(jī)的工況條件非常復(fù)雜，常常運(yùn)行于腐蝕工況條件，還有些機(jī)組的工作環(huán)境中會(huì)有容易形成污垢的無(wú)機(jī)粉塵或有機(jī)焦油等污染物。機(jī)組的過(guò)流部件在腐蝕環(huán)境下長(zhǎng)期工作會(huì)有發(fā)生腐蝕破壞的風(fēng)險(xiǎn)，并會(huì)在表面生成腐蝕產(chǎn)物或蝕坑，從而降低流道表面的光潔度，而流道的不平整則會(huì)擾亂氣體的平流運(yùn)動(dòng)形式并影響氣動(dòng)性能；無(wú)機(jī)粉塵或有機(jī)焦油落在過(guò)流部件表面阻塞流道而對(duì)氣動(dòng)性能的影響更加明顯，如果污垢積聚嚴(yán)重還會(huì)影響轉(zhuǎn)子的平衡特性，進(jìn)而容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)生疲勞，從而影響產(chǎn)品壽命[1-3]。由此可見(jiàn)，腐蝕和污垢問(wèn)題對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效率以及運(yùn)行穩(wěn)定性的影響會(huì)非常明顯，通過(guò)對(duì)過(guò)流部件表面的基體金屬進(jìn)行表面改性處理預(yù)計(jì)可以較好的解決此類問(wèn)題[4]。

本文研究的復(fù)合涂層是一種合理的表面改性方案，它具有優(yōu)異的抗污垢能力、良好的耐腐蝕性，它能使表面特別光滑，不僅有利于氣動(dòng)性能，而且可以降低流道內(nèi)表面電偶腐蝕和蝕斑的生成，當(dāng)應(yīng)用于以葉輪為首的過(guò)流部件時(shí)可以有助于提高并穩(wěn)定機(jī)組的工作效率并延長(zhǎng)使用壽命。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 涂層的成分體系和制備工藝

通過(guò)查閱資料、理論分析和反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定了復(fù)合涂層的成分體系，該涂層由自犧牲導(dǎo)電底層、有機(jī)抑制中間層和防結(jié)垢頂層組成，三層共同發(fā)揮作用，最終達(dá)到防結(jié)垢、防腐蝕的涂層保護(hù)效果，復(fù)合涂層的形式如圖1所示。

圖1 復(fù)合涂層示意圖

具有自犧牲功能的底層是整個(gè)涂層體系的重要部分，該層利用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法來(lái)保護(hù)基體材料免受腐蝕，由無(wú)機(jī)鹽和鋁粉組成；復(fù)合涂層的第二層是有機(jī)抑制中間層，該涂層漿料的成分是以樹(shù)脂為基體，添加劑為Al粉和具有腐蝕抑制作用的無(wú)機(jī)鹽；頂層是有機(jī)樹(shù)脂與聚四氟乙烯（PTFE）均勻混合的有機(jī)涂層。復(fù)合涂層的各層成分如表1所示。

表11 復(fù)合涂層成分表

涂層可以通過(guò)噴涂，刷涂和滾涂等方式在產(chǎn)品或試樣表面涂覆，但一定要保證涂覆質(zhì)量，當(dāng)采用噴涂方法時(shí)要通過(guò)控制噴涂壓力、噴涂角度、噴涂距離和噴涂流量等參數(shù)來(lái)保證涂層的均勻性。涂層要經(jīng)過(guò)干燥和固化之后才能發(fā)揮作用。復(fù)合涂層各層的成分不一致，各層的固化溫度和時(shí)間要根據(jù)所配置的原料成分來(lái)進(jìn)行確定。復(fù)合涂層的的總厚度盡量保持在100～150μm之間，表面粗糙度Ra小于0.8μm。涂層的使用溫度范圍取決于原料成分中PTFE和有機(jī)樹(shù)脂等有機(jī)物的可靠應(yīng)用溫度。

1.2 分析實(shí)驗(yàn)方法

復(fù)合涂層若想在產(chǎn)品上有效使用，其性能必須要符合使用要求才可以應(yīng)用，尤其是涂層結(jié)合力、涂層抗腐蝕能力和表面防結(jié)垢能力務(wù)必達(dá)標(biāo)。

復(fù)合涂層每層固化完成后均要利用儀器對(duì)涂層的厚度和表面粗糙度進(jìn)行檢測(cè)，除此之外還要做目視檢查，目視檢查內(nèi)容包括涂層的平整度，均勻性，連續(xù)性，涂層表面不能起泡，不能有裂紋等每一項(xiàng)可能影響涂層使用情況的缺陷。

涂層的微觀組織利用ZEISS EVO-18掃描電鏡進(jìn)行觀察與分析；涂層的結(jié)合強(qiáng)度采用ASTM C633標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)，拉伸時(shí)所使用的主要零件為兩個(gè)尺寸為φ25×38的圓柱及一個(gè)同樣直徑的試片，在試片的一個(gè)面上制備涂層，而后在試片兩側(cè)涂抹上均勻的高粘結(jié)強(qiáng)度有機(jī)膠，如圖2所示，而后將圓柱固定在工裝上利用拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量，得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖2 涂層拉伸實(shí)驗(yàn)示意圖

涂層的防腐蝕能力采用ASTM B117標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)涂層和裸材同時(shí)進(jìn)行鹽霧腐蝕能力測(cè)試，對(duì)比兩者的防腐能力；涂層的防結(jié)垢性能采用觀察表面水接觸角的方法來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，本文還通過(guò)劃格法和彎曲實(shí)驗(yàn)法對(duì)涂層進(jìn)行了相關(guān)性能評(píng)價(jià)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 顯微組織分析

防結(jié)垢、防腐蝕復(fù)合涂層的底層由Al粉和無(wú)機(jī)鹽組成，它的表面形貌如圖3a所示。圖中的圓形顆粒就是Al粉，Al粉周邊是無(wú)機(jī)鹽，它們共同組成了無(wú)機(jī)鹽鋁底層，由于Al粉之間是均勻分布的無(wú)機(jī)鹽，所以它是絕緣的，但是經(jīng)過(guò)導(dǎo)通處理后的底層形貌會(huì)出現(xiàn)變化，具體形式如圖3b所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)通處理后的圓形Al粉顆粒已經(jīng)變成片狀，并且相互連接，從而具備了導(dǎo)電性。導(dǎo)通處理的目的是提高底層犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)能力，更好的發(fā)揮該層的自犧牲功能從而保護(hù)底層以下的金屬基體免遭腐蝕。

圖3 自犧牲底層的微觀表面形貌圖

自犧牲底層的截面如圖4所示，從圖中可以看出，涂層比較致密，涂層與基體之間的結(jié)合無(wú)明顯分界線，結(jié)合面不平直，這反應(yīng)出涂層與基體之間結(jié)合狀況良好。

圖4 涂層橫截面觀察圖

2.2 涂層的結(jié)合能力

2.2.1 拉伸法測(cè)量結(jié)合強(qiáng)度

本實(shí)驗(yàn)的自犧牲底層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度按照ASTM C633的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，測(cè)試結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，底層與基體的結(jié)合強(qiáng)度平均值超過(guò)64MPa，說(shuō)明涂層的強(qiáng)度已經(jīng)完全達(dá)到了使用要求。

表2 涂層的結(jié)合強(qiáng)度表

當(dāng)涂層的固化溫度超200℃時(shí)，底層原料中所使用的無(wú)機(jī)鹽會(huì)與鐵基金屬發(fā)生反應(yīng)從而形成離子鍵，也就是說(shuō)底層與基體之間是化學(xué)結(jié)合，因此其結(jié)合強(qiáng)度比較高。涂層固化時(shí)，固化溫度的升高或是固化時(shí)間的延長(zhǎng)都有助于提高無(wú)機(jī)鹽與金屬之間的化學(xué)反應(yīng)活性，這會(huì)有助于涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度的提高。

2.2.2 劃格法和彎折法

按照ASTM D3359標(biāo)準(zhǔn)對(duì)復(fù)合涂層的整體結(jié)合情況進(jìn)行了檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 劃格實(shí)驗(yàn)后的涂層表面情況圖

對(duì)比劃格實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)可知，本實(shí)驗(yàn)中的涂層結(jié)合情況為最優(yōu)的5B級(jí)，肉眼幾乎看不到任何涂層脫落。

由于復(fù)合涂層在條件成熟后會(huì)應(yīng)用到透平機(jī)械的過(guò)流部件上面，包括葉輪，而葉輪在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)由于離心力的作用在材料表面形成應(yīng)力，在應(yīng)力的作用下葉輪可能會(huì)發(fā)生微小變形，這種變形會(huì)有引發(fā)涂層脫落的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證之后才能放心使用該涂層。針對(duì)此種情況，本研究對(duì)已經(jīng)制備了復(fù)合涂層的試樣進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，彎曲角度30°（該變形量大大超過(guò)了實(shí)際應(yīng)用情況），測(cè)試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，彎折區(qū)域的涂層幾乎沒(méi)有出現(xiàn)變化，涂層表面依然光滑，無(wú)發(fā)皺更無(wú)脫落現(xiàn)象，這表明涂層本身具有非常好的延展性以及與基體結(jié)合的能力，由此可推斷葉輪在工作時(shí)的微小變形對(duì)基體與涂層的結(jié)合不會(huì)產(chǎn)生任何影響。

圖6 彎曲實(shí)驗(yàn)后的涂層圖

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，本項(xiàng)目所研究的復(fù)合涂層與基體之間有著非常好的結(jié)合能力，這種強(qiáng)結(jié)合狀況能夠保證涂層在產(chǎn)品運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不容易脫落，表明該復(fù)合涂層具有長(zhǎng)期的使用可靠性。這種好的結(jié)合能力與涂層本身的性質(zhì)密切相關(guān)，底層與基體之間是通過(guò)200℃以上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)而形成了離子鍵合，中間層和頂層的樹(shù)脂有非常好的粘結(jié)作用，可以相互之間粘結(jié)并能夠和金屬形成很好的結(jié)合，此外中間層由于既含無(wú)機(jī)添加劑又含有機(jī)樹(shù)脂，使其成為底層和頂層之間的有機(jī)過(guò)渡層，以上原因均保證了復(fù)合涂層能夠具有良好的結(jié)合能力。

2.3 鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本項(xiàng)目所研究復(fù)合涂層的一個(gè)主要目標(biāo)就是要有優(yōu)異的耐腐蝕能力，本研究中復(fù)合涂層的耐腐蝕性測(cè)試采用ASTM B117鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，為了加快腐蝕速度，本研究采用的是銅加速乙酸鹽霧腐蝕實(shí)驗(yàn)（CASS實(shí)驗(yàn)），腐蝕時(shí)間240h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，沒(méi)有涂層保護(hù)的裸材經(jīng)受鹽霧腐蝕35h后就已經(jīng)被腐蝕的非常嚴(yán)重，通體都是紅銹；而反觀有涂層保護(hù)的樣品在經(jīng)歷240h的腐蝕之后其形貌仍然沒(méi)有出現(xiàn)太大變化，表面仍然光滑平整，幾乎沒(méi)有腐蝕產(chǎn)物，為了說(shuō)明涂層的耐腐蝕自犧牲保護(hù)特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)材料表面在腐蝕開(kāi)始之前就預(yù)制了兩條劃痕，腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，這兩條劃痕的范圍并沒(méi)有擴(kuò)大，而是僅在劃痕線上出現(xiàn)了少量白色的腐蝕產(chǎn)物以及紅色的銹斑，說(shuō)明涂層即使已經(jīng)發(fā)生破壞，由于其本身的自犧牲保護(hù)功能也會(huì)保護(hù)其余位置的腐蝕安全性，有助于抑制腐蝕失效問(wèn)題的進(jìn)一步擴(kuò)大。

復(fù)合涂層優(yōu)異的防腐蝕能力歸因于整體的協(xié)同防護(hù)作用，首先涂層的頂層是由PTFE和有機(jī)樹(shù)脂組成的，此種成分的有機(jī)混合物固化后會(huì)具有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性和防滲透能力，它隔絕了外界的腐蝕介質(zhì)，使其很難滲透進(jìn)入涂層內(nèi)部，但是再好的有機(jī)密封層也不會(huì)完全阻擋住外界濕潤(rùn)環(huán)境介質(zhì)的滲透，當(dāng)少量可能引發(fā)腐蝕的物質(zhì)滲透過(guò)頂層之后，有機(jī)抑制中間層就會(huì)起到第二步的保護(hù)作用，中間層除有機(jī)樹(shù)脂起到防滲透和粘接功能之外，還含有無(wú)機(jī)鹽類和金屬Al粉，本文中間層所使用的無(wú)機(jī)鹽具有腐蝕抑制作用，此外金屬Al在濕潤(rùn)環(huán)境下可以與各種陰離子和陰離子團(tuán)（包括酸根）反應(yīng)起到鈍化或中和作用，也就是說(shuō)滲透通過(guò)頂層的化學(xué)物質(zhì)在中間層就會(huì)由于腐蝕抑制或化學(xué)反應(yīng)而使其進(jìn)一步的腐蝕行為終止或延緩。復(fù)合涂層的底層是含Al的自犧牲導(dǎo)電層，Al的電負(fù)性高于鐵，因此在電化學(xué)反應(yīng)中它是陽(yáng)極，鐵基體是陰極，在濕潤(rùn)的腐蝕環(huán)境下導(dǎo)通的Al粉依靠犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)作用可以使鐵基體免遭腐蝕[5]。綜上，這三層防護(hù)體系的協(xié)同作用使復(fù)合涂層顯示出優(yōu)異的耐腐蝕能力。

2.4 涂層的表面粘結(jié)性

本復(fù)合涂層的一個(gè)重要特點(diǎn)就是要有非常好的防結(jié)垢能力，這與其表面能關(guān)系密切，表面能越低的材料與外界物質(zhì)越不容易結(jié)合到一起，而衡量表面能高低的一個(gè)重要參數(shù)就是水接觸角，水接觸角越大的材料表明其表面自由能越低，換句話說(shuō)水接觸角越大的材料其防結(jié)垢能力會(huì)更好[6-7]。圖7顯示的為本項(xiàng)目中復(fù)合涂層的水接觸角，圖中的水珠形狀幾乎均是圓球形，也就是說(shuō)涂層的水接觸角均為角度比較大的鈍角，這說(shuō)明其表面能很低，反應(yīng)出了其非常好的防結(jié)垢能力。

復(fù)合涂層的頂層原料成分決定了其較好的防粘結(jié)能力，PTFE是一種摩擦系數(shù)極低，表面不粘性非常好的有機(jī)高分子材料[8]，同時(shí)添加的樹(shù)脂可以明顯提高頂層結(jié)合強(qiáng)度，PTFE與樹(shù)脂混合均勻后既可以保持頂層與下面涂層的良好結(jié)合又能夠最大程度發(fā)揮出頂層不粘的特性，從而達(dá)到理想而且可靠的使用效果。

圖7 復(fù)合涂層表面的水接觸角圖

本文所闡述的復(fù)合涂層具有防結(jié)垢、防腐蝕能力好的特性，當(dāng)在合適工況條件下應(yīng)用在透平機(jī)械過(guò)流部件上面可以發(fā)揮出很好的效果。乙烯項(xiàng)目中的裂解氣壓縮機(jī)由于運(yùn)行工況復(fù)雜，氣體組分多樣且含有少量腐蝕性介質(zhì)，因而會(huì)使通流部件的材料在運(yùn)行時(shí)面臨腐蝕方面的考驗(yàn)；此外裂解氣壓縮機(jī)的介質(zhì)主要成分為烴類，在一定壓力和溫度下會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)形成類似焦油的粘稠沉淀物，阻塞流道；腐蝕產(chǎn)物和環(huán)境中的無(wú)機(jī)小顆粒也會(huì)堆積在流道上面，這些堆積的有機(jī)物或無(wú)機(jī)物均會(huì)明顯影響壓縮機(jī)的氣動(dòng)性能，如果堆積嚴(yán)重還會(huì)影響轉(zhuǎn)子的平衡性，若在產(chǎn)品過(guò)流部件上加工復(fù)合涂層則可以有效的保護(hù)產(chǎn)品，降低產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。除裂解氣壓縮機(jī)外，各類有腐蝕或者污垢問(wèn)題的壓縮機(jī)或者汽輪機(jī)均有應(yīng)用該涂層的潛在可能，本涂層優(yōu)異的結(jié)合能力可以保證它在使用時(shí)不會(huì)因?yàn)殡x心力或是轉(zhuǎn)子塑性變形而脫落，保證了涂層使用時(shí)的可靠性。

3 結(jié)論

1）所研究的復(fù)合涂層由三層系統(tǒng)組成：具有自犧牲功能的鹽鋁底層；起腐蝕抑制作用的有機(jī)抑制中間層；既防結(jié)垢又防滲透的有機(jī)頂層。

2）復(fù)合涂層的結(jié)合力非常好，底層與基體是化學(xué)結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到64MPa；涂層的耐腐蝕性優(yōu)異，銅加速鹽霧實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，35h后的裸材就已經(jīng)發(fā)生了非常嚴(yán)重的銹蝕，而涂覆復(fù)合涂層的試樣在240h以后仍然無(wú)明顯腐蝕現(xiàn)象發(fā)生；涂層的水接觸角為鈍角，表明了其優(yōu)異的防物質(zhì)粘結(jié)能力。

3）本文所研究的復(fù)合涂層是一種在合適工況條件下非常適用于以離心壓縮機(jī)和汽輪機(jī)為代表的透平機(jī)械過(guò)流部件表面的涂層。

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Study of Anti-fouling and Anti corrosion Multilayer Composite Coating System andPerformance

TangCai-yu,CuiLian-shun/Shenyang BlowerWorksGroupCorporation

The composition and properties of ananti-foulingandanti-corrosion multi-layercoatingsuitableforthe turbo-machinery was studied in this paper. The result of the analysis showed that the multi-layercoatingconsistedofthe sacrificialconductivebaselayer,the corrosioninhibitingorganicfilm. Furthermore,the non-stick top layer demonstrated excellent corrosion resistance, whose anti-corrosion property,as evaluating by a CASS test,was much better than a counterpartofthebasemetal.The anti-fouling performance was perfect,and the water contact angle on the surface was obtuse.In addition,the bonding strength between the coating and substrate was very high for this coating,thus guaranteeing reliability and safety when used on the product.This research could protect the flow passage components andimproved the service life and condition of aerodynamic performanceinexistingcorrosiveand foulingcoatings,Additionally,thisproves hadeconomicbenefitsandapplicationvalue.

composite coating;flow passage components;anti-fouling;anti-corrosion

TH452;TK05

A

1006-8155（2016）02-0070-05

10.16492/j.fjjs.2016.02.0128

國(guó)家科技支撐計(jì)劃《大型離心式壓縮機(jī)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用》2013BAF01B03

2015-11-05沈陽(yáng)110869