工艺技术│搪瓷涂层的高温防护应用

作者:七位数发布日期:2020-01-25 11:41

  慧聪表面处理网讯:搪瓷是具有悠久历史的古老工艺之一,几乎与玻璃同时期出现。据考证,古埃及是最早的搪瓷生产国家,其次是希腊。我国也是较早生产搪瓷制品的国家。约在公元八世纪,我们的祖先就掌握了铜上搪瓷的技术。明代景泰年间著名的高级工艺品“景泰蓝”实际上就是一种优秀的铜搪瓷。关于搪瓷的准确定义,各国学者在不同时期对搪瓷有不同的解释,普遍认为搪瓷即某种玻璃搪烧附于金属表面。邵规贤对现代搪瓷的定义为在金属表面通过特殊工艺涂烧一层或多层不透明的非金属无机材料,使金属和无机材料在高温下发生物理化学反应,析出晶体并形成化学键,把两者牢固结合成的一个整体。如此,原有两种材料(金属与无机材料)的优点都得到充分发挥,缺点则互为补偿,从而成为一种具有抗冲击、耐腐蚀、光滑美观、绝缘、耐热等可贵性能的新型复合材料。

  由于搪瓷釉的主要成分为氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化锆等惰性氧化物,主要结构为稳定的硅氧(或者硼氧、磷氧)多面体(如[SiO4]-),具有优异的耐酸碱腐蚀、耐磨、耐热、绝缘等性能,加上其制备工艺简单,适用于各种复杂形状的工件,因此,现代搪瓷早已不只是用于简单的装饰品,而是作为一种优良的材料广泛应用与工农业生产、科研、国防和日常生活各个领域。根据其应用领域,搪瓷制品主要分为日用搪瓷、医疗搪瓷、建筑搪瓷、耐磨搪瓷、耐腐蚀搪瓷、绝缘搪瓷、耐热搪瓷、防护搪瓷等等。其中,搪瓷釉作为耐腐蚀涂层材料尤其受到了工业界越来越多的关注。借助搪瓷涂层的化学惰性,有效地将腐蚀介质隔离开来,对合金基体起到腐蚀防护作用,搪瓷涂层已广泛应用于化学反应锅、反应管、反应塔和防护罩等腐蚀环境极端恶劣的工业设备上。

  搪瓷涂层的另外一个特点就是耐热,在搪瓷釉的玻璃转化温度以下,搪瓷的各种物理化学性能有非常好的稳定性,是一种理想的高温防护涂层材料之一。并且根据服役温度差异,通过调整搪瓷釉的成分,理论上还可以有针对性地设计不同性能的高温防护用搪瓷涂层。但是,普通的搪瓷釉玻璃转化温度以及软化点较低(一般玻璃化转变温度为600℃以下,软化点则低于800℃),普通搪瓷作为高温防护涂层的适用温度不高于600℃。而若发展超高温搪瓷涂层,其烧结温度也会随之变高。一般而言,搪瓷涂层的搪烧温度较搪瓷釉的软化点高150℃,较玻璃转化温度高250~350℃。因此,如果要发展一种在1000℃服役的搪瓷涂层,则该涂层的烧结温度则要达到1250℃以上,如此高的搪烧温度极容易损坏合金基体的组织结构、力学性能,甚至造成合金构件的软化变形。搪瓷涂层的制备工艺制约了其作为高温防护涂层的实际应用。

  通过对搪瓷涂层组织结构、成分特性的研究,中国科学院金属研究所腐蚀与防护实验室设计了一种高温搪瓷涂层的低温烧结方法。按照一定比例,将一些特殊氧化物颗粒与搪瓷釉充分混合,制备搪瓷-陶瓷复合涂料。该复合涂料中搪瓷釉为普通搪瓷成分,其玻璃化转变温度及软化点低(分别为600以及750℃左右),可以在较低温度下烧结;而掺杂的氧化物颗粒具有如下特性:(1)高熔点;(2)烧结温度下能够溶解进入搪瓷釉的网络组织结构,但是其溶解速度低;(3)与搪瓷釉的界面反应速度很低或者没有界面化学反应。具有这些性质的氧化物常见的主要有阿尔法三氧化二铝、二氧化硅以及三氧化二铬。在该搪瓷复合涂料的搪烧过程中,借助于搪瓷釉的软化流动在合金基体上成膜。同时,由于搪瓷釉对第二相氧化物颗粒(如α-Al2O3、SiO2)的溶解,少部分铝(或者硅)原子参与搪瓷釉网络组织结构的重组,而其余的大部分未被溶解的氧化物作为复合涂层的骨架,搪烧之后该搪瓷基复合涂层的玻璃化转变温度与软化点均得到了很大程度的提高,从而实现高温搪瓷涂层的低温烧结。根据这一设计原理,成功地在高温合金上制备了搪瓷-氧化铝复合涂层。该复合涂层中搪瓷釉的软化点为750℃,涂层的烧结温度为950~1000℃。烧结后该搪瓷基复合涂层在1050℃依然具有非常优异的高温防护性能。

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