專利名稱：一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料及制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合金的高溫防護技術(shù)，具體為一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料及制備方法與應(yīng)用。
背景技術(shù)：
TiAl合金由于具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如高溫條件下的高強度、高彈性模量等，被認為是理想的高溫結(jié)構(gòu)材料。在高溫條件下，TiAl合金的抗氧化能力較弱，合金表面形成 Al2O3和保護性較差的金紅石型T^2混合物，而不是致密的α -Al2O3保護膜，限制了其進一步的應(yīng)用。有機涂料作為金屬材料的防護涂層具有悠久的應(yīng)用歷史，但有機涂料的一個缺點是含有有機溶劑，對保護環(huán)境非常不利，而絕大多數(shù)有機涂層不能用于材料的高溫防護。在耐高溫涂層方面，只有有機硅涂料等少數(shù)涂料可以在高溫下使用，但同樣存在有機物排放問題。以水性富鋅涂料為代表的無機涂料具有較好的耐高溫性能，但由于涂層中含有大量的鋅粉，其使用溫度不能太高。在高溫防護涂層方面，當溫度波動較大時，無機涂層較容易從基體材料剝落下來， 造成這一問題的根本在于涂層與基體合金的膨脹系數(shù)差異過大，冷熱交替就會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，當應(yīng)力集中超過涂層的強度時就會使涂層開裂或剝落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料及制備方法與應(yīng)用， 解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的無機涂層較容易從基體材料剝落等問題，該涂料同時具有耐高溫、 防腐蝕、耐水的特點，具有良好的抗熱震性能，涂料無毒、無污染，有利于環(huán)保。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，包括液態(tài)硅酸鉀、三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和Si粉；按重量百分比計，液態(tài)硅酸鉀占30 70 %，三聚磷酸鋁占3 20%，三氧化二鋁占5 50%，納米金屬粉占0.5 15%，Si粉占0 15% ；其中，納米金屬粉為納米Cr粉、納米Ti粉、納米Al粉之一種或兩種以上；以蒸餾水為溶劑調(diào)節(jié)涂料的粘度，蒸餾水與上述物質(zhì)的重量比例為1 3 10。本發(fā)明中，按重量百分比計，優(yōu)選的涂料組成為液態(tài)硅酸鉀占40 60 %，三聚磷酸鋁占5 15 %，三氧化二鋁占10 40 %，納米金屬粉占1 10%，Si粉占5 20%。本發(fā)明中，硅酸鉀的模數(shù)為3. 0 4. 0。本發(fā)明中，三氧化二鋁的粒徑為1 50 μ m。本發(fā)明中，納米金屬粉(納米Cr粉、納米Ti粉、納米Al粉)的粒徑為1 lOOnm， Zn粉的粒徑為5 50 μ m。上述耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的制備方法為
首先，將三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和ai粉均勻混合；然后，邊攪拌邊將上述均勻混合后的混合物加入硅酸鉀中，充分混合；再加入蒸餾水，蒸餾水與上述充分混合后的混合物重量比例為1 (3 10)，在攪拌機中以2000 ^OOrpm的轉(zhuǎn)速攪拌5 30分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后即得到涂料。在加入蒸餾水準備進行攪拌時，加入占上述充分混合后的混合物一半的研磨珠， 研磨珠的粒徑為0. 5 1. 5mm。研磨珠為瑪瑙珠、陶瓷珠(如二氧化鋯珠或硅酸鋯珠等)或不銹鋼珠。上述耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的應(yīng)用為采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的合金零部件表面，涂層室溫固化或在高溫爐(溫度為100 300°C)中固化0.5 池，一道噴涂涂層厚度為30 60 μ m，根據(jù)需要可進行一道或一道以上多道涂裝。本發(fā)明中，耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料可以用于鈦合金制件，尤其適用于 Y-TiAl合金制件，還可應(yīng)用于其它類型的材料如鐵基高溫合金、鎳基高溫合金或不銹鋼等部件的防護。本發(fā)明的優(yōu)點及效果1、本發(fā)明研制出了耐高溫防護涂層，涂料不含有機溶劑，無毒、無污染。2、本發(fā)明中使用納米金屬粉來抑制涂層制備過程中容易出現(xiàn)的鼓泡等缺陷，納米金屬粉的加入有效提高了涂層的抗氧化性能和熱震性能，由于納米粉體顆粒較小，在冷卻過程中涂層的熱應(yīng)力得到了有效分散，避免出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，從而提高了涂層的抗剝落的性能。3、三聚磷酸鋁和Si粉是硅酸鉀涂料的有效固化劑，提高涂層的強度。三氧化二鋁的加入一方面提高了涂層的耐熱性，同時還賦予了涂層良好的耐磨性能和硬度。4、本發(fā)明適用于運行于高溫環(huán)境的鈦合金制件、Y -TiAl合金制件、鐵基高溫合金或不銹鋼等部件的防護，采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的合金表面，在800°C經(jīng)2160h氧化及在900°C氧化100h，合金得到有效防護，而涂層未有起皮、鼓泡、剝落等破壞。


圖1為經(jīng)900°C氧化IOOh后涂層微觀形貌。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明實施例1稱取500g模數(shù)為3. 5的硅酸鉀，三聚磷酸鋁200g，粒徑為50nm的納米Cr粉20g、 粒徑為50nm的納米Ti粉30g，粒徑為2 μ m的三氧化二鋁200g，粒徑為10 μ m的Si粉50g。 預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Cr粉、納米Ti粉、三氧化二鋁和Si粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入200g蒸餾水和500g粒徑為Imm的硅酸鋯珠，在攪拌機中以2300rpm的轉(zhuǎn)速攪拌15分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的 -TiAl合金零部件表面，表干6min后放入爐溫為250V的電阻爐中保溫1.證。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述40 μ m耐高溫防護涂層的Y -TiAl合金在900°C經(jīng)IOOh氧化，涂層完好，未出現(xiàn)起泡、剝落等破壞；涂層耐40°C模擬海水浸泡；在70(TC保溫15min后，迅速放入室溫鹽水中，經(jīng)過20次熱震，涂層完好。如圖1所示，采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的 Y-TiAl合金表面，在900°C氧化100h，從涂層微觀形貌可以看出，涂層致密，未發(fā)現(xiàn)局部鼓泡、剝落等破壞。實施例2稱取800g模數(shù)為4. 0的硅酸鉀，三聚磷酸鋁200g，粒徑為50nm的納米Cr粉100g、 粒徑為50nm的納米Ti粉100g，粒徑為50 μ m的三氧化二鋁800g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Cr粉、納米Ti粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入500g蒸餾水和 IOOOg粒徑為1. 5mm的瑪瑙珠，在攪拌機中以2500rpm的轉(zhuǎn)速攪拌10分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的TAll 合金零部件表面，室溫固化24h后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述35 μ m厚涂層的TAll鈦合金在700°C經(jīng)過1000恒溫氧化，涂層完好， 基體合金得到了有效防護，而未涂裝涂層的鈦合金表面發(fā)生了較為嚴重的氧化。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例3稱取300g模數(shù)為3. 0的硅酸鉀，三聚磷酸鋁40g，粒徑為80nm的納米Cr粉2. 5g、 粒徑為50nm的納米Ti粉7. 5g，粒徑為40 μ m的三氧化二鋁150g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Cr粉、納米Ti粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入125g蒸餾水和 250g粒徑為Imm的不銹鋼珠，在攪拌機中以2100rpm的轉(zhuǎn)速攪拌12分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的TC4 合金零部件表面，表干IOmin后放入爐溫為280°C的電阻爐中保溫池。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述80 μ m涂層的TC4鈦合金在600°C經(jīng)過IOOOh恒溫氧化，涂層具有完全抗氧化性能，而未涂裝涂層的鈦合金表面發(fā)生了較為嚴重的氧化。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例4稱取IOkg模數(shù)為3. 5的硅酸鉀，三聚磷酸鋁4kg，粒徑為30nm的納米Cr粉1kg， 粒徑為5 μ m的三氧化二鋁^g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Cr粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入7kg蒸餾水和IOkg粒徑為Imm的硅酸鋯珠，在攪拌機中以 2000rpm的轉(zhuǎn)速攪拌20分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的Y-TiAl合金零部件表面，表干IOmin后放入爐溫為100°C的電阻爐中保溫池。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下
涂裝了上述50 μ m厚涂層的Y-TiAl合金在800°C經(jīng)過2160h恒溫氧化，涂層完好，未發(fā)現(xiàn)起皮、剝落等破壞，而未涂裝涂層的鈦合金表面發(fā)生了較為嚴重的氧化。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例5稱取3kg模數(shù)為3. 5的硅酸鉀，三聚磷酸鋁0. 5kg,粒徑為30nm的納米Al粉 0. 05kg，粒徑為30 μ m的三氧化二鋁1kg，粒徑為IOymm Si粉0. 45kg。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Al粉、Si粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入Ikg蒸餾水和 2. 5kg粒徑為Imm的不銹鋼珠，在攪拌機中以2000rpm的轉(zhuǎn)速攪拌15分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的 Y-TiAl合金零部件表面，表干15min后放入爐溫為150°C的電阻爐中保溫2. 5h。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述60 μ m厚涂層的Y-TiAl合金在900°C經(jīng)過IOOh恒溫氧化，涂層完好， 基體鈦合金得到了有效防護，而未涂裝涂層的鈦合金表面氧化皮成片剝落。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例6稱取500g模數(shù)為3. 0的硅酸鉀，三聚磷酸鋁150g，粒徑為50nm的納米Ti粉5g， 粒徑為10 μ m的三氧化二鋁M5g，粒徑為30 μ m的Si粉100g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Ti 粉、Si粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入IOOg蒸餾水和500g粒徑為Imm的硅酸鋯珠，在攪拌機中以2350rpm的轉(zhuǎn)速攪拌13分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的TC4合金零部件表面，表干8min后放入爐溫為300°C的電阻爐中保溫2.證。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述45 μ m厚涂層的TC4鈦合金在550°C經(jīng)過300h恒溫氧化，涂層完好，未發(fā)現(xiàn)起泡、起皮、剝落等破壞，而未涂裝涂層的鈦合金表面覆蓋了較厚的氧化膜。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例7稱取800g模數(shù)為3. 0的硅酸鉀，三聚磷酸鋁200g，粒徑為50nm的納米Ti粉10g， 粒徑為30nm的納米Cr粉10g，粒徑為50nm的納米Al粉20g，粒徑為25 μ m的三氧化二鋁 800g,粒徑為20 μ m的Si粉160g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Ti粉、納米Al粉、納米Cr粉、 Si粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入500g蒸餾水和IOOOg粒徑為 Imm的不銹鋼珠，在攪拌機中以2500rpm的轉(zhuǎn)速攪拌5分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的Y-TiAl合金零部件表面，室溫固化24h后即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述85 μ m厚涂層的Y-TiAl合金在1000°C經(jīng)過80h恒溫氧化，涂層完好， 基體合金得到了較好的保護，而未涂裝涂層的鈦合金氧化嚴重。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。
實施例8稱取2100g模數(shù)為3. 5的硅酸鉀，三聚磷酸鋁300g，粒徑為50nm的納米Cr粉 IOOg,粒徑為50nm的納米Al粉50g，粒徑為20 μ m的三氧化二鋁300g，粒徑為5 μ m的粉150g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米Al粉、納米Cr粉、Si粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入300g蒸餾水和1500g粒徑為Imm的瑪瑙珠，在攪拌機中以2500rpm 的轉(zhuǎn)速攪拌10分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的Y -TiAl合金零部件表面，表干ianin后放入爐溫為180°C 的電阻爐中保溫池。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述70 μ m厚涂層的Y-TiAl合金在800°C經(jīng)過IOOOh恒溫氧化，涂層完好，而未涂裝涂層的鈦合金表面發(fā)生了較為嚴重的氧化。涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例9稱取600g模數(shù)為3. 5的硅酸鉀，三聚磷酸鋁200g，粒徑為50nm的納米Cr粉100g， 粒徑為10 μ m的三氧化二鋁lOOOg，粒徑為10 μ m的Si粉100g。預(yù)混合三聚磷酸鋁、納米 Cr粉、Zn粉和三氧化二鋁粉，邊攪拌邊加入硅酸鉀中充分混合，加入650g蒸餾水和IOOOg 粒徑為1. 2mm的二氧化鋯珠，在攪拌機中以2500rpm的轉(zhuǎn)速攪拌12分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后獲得涂料。采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的GH907 合金或304不銹鋼零部件表面，表干IOmin后放入爐溫為230°C的電阻爐中保溫池。取出空冷后，即獲得耐高溫防護涂層。本實施例中，耐高溫防護涂層的性能參數(shù)如下涂裝了上述40 μ m厚涂層的GH907合金和304不銹鋼在700°C經(jīng)過500h恒溫氧化，涂層未出現(xiàn)起皮、剝落等破壞，而未涂裝涂層的GH907合金和304不銹鋼表面發(fā)生了較為嚴重的氧化，涂層具有良好的耐海水腐蝕和鹽霧腐蝕性能。實施例結(jié)果表明，通過該工藝得到的耐高溫防腐蝕涂層技術(shù)具有良好的耐腐蝕和耐高溫性能，易于控制，適合工業(yè)化生產(chǎn)，具有無毒、無污染的特性，有利于環(huán)境保護。另外，以上所述，僅是本發(fā)明較佳可行的實施例而已，不能以此局限本發(fā)明之權(quán)利范圍，所述耐高溫防護涂料可以用于鈦合金制件，還可應(yīng)用于其它類型的材料如鐵基高溫合金、鎳基高溫合金或不銹鋼等部件的防護。因此，依本發(fā)明的技術(shù)方案和技術(shù)思路做出其它各種相應(yīng)的改變和變形，仍屬本發(fā)明所涵蓋的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，其特征在于該涂料包括液態(tài)硅酸鉀、三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和Si粉；按重量百分比計，液態(tài)硅酸鉀占30 70%，三聚磷酸鋁占3 20%，三氧化二鋁占5 50%，納米金屬粉占0.5 15%，Si粉占0 15%， 其中，納米金屬粉為納米Cr粉、納米Ti粉、納米Al粉之一種或兩種以上；以蒸餾水為溶劑調(diào)節(jié)涂料的粘度，蒸餾水與上述物質(zhì)的重量比例為1 3 10。
2.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，其特征在于按重量百分比計，優(yōu)選的涂料組成為液態(tài)硅酸鉀占40 60 %，三聚磷酸鋁占5 15 %，三氧化二鋁占10 40 %，納米金屬粉占1 10%，Si粉占5 20%。
3.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，其特征在于硅酸鉀的模數(shù)為3.0 4.0。
4.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，其特征在于三氧化二鋁的粒徑為1 50 μ m。
5.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料，其特征在于納米Cr粉、 納米Ti粉或納米Al粉的粒徑為1 lOOnm，Zn粉的粒徑為5 50 μ m.。
6.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的制備方法，其特征在于 首先，將三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和ai粉均勻混合；然后，邊攪拌邊將上述均勻混合后的混合物加入硅酸鉀中，充分混合；再加入蒸餾水，蒸餾水與上述充分混合后的混合物重量比例為1 (3 10)，在攪拌機中以2000 ^OOrpm的轉(zhuǎn)速攪拌5 30分鐘后， 經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后即得到涂料。
7.按照權(quán)利要求6所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的制備方法，其特征在于 在加入蒸餾水準備進行攪拌時，加入占上述充分混合后的混合物一半的研磨珠，研磨珠的粒徑為0. 5 1. 5_。
8.按照權(quán)利要求6所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的制備方法，其特征在于 研磨珠為瑪瑙珠、陶瓷珠或不銹鋼珠。
9.按照權(quán)利要求1所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的應(yīng)用，其特征在于采用噴涂或刷涂的方式將涂料噴涂或刷涂到經(jīng)過噴砂處理的合金零部件表面，涂層室溫固化或在高溫爐中固化0. 5 3h，一道噴涂涂層厚度為30 60 μ m，根據(jù)需要進行一道或一道以上多道涂裝。
10.按照權(quán)利要求9所述的耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料的應(yīng)用，其特征在于耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料用于鈦合金制件、Y-TiAl合金制件、鐵基高溫合金部件或不銹鋼部件的防護。
全文摘要
本發(fā)明涉及合金的高溫防護技術(shù)，具體為一種耐高溫環(huán)保型納米改性無機涂料及制備方法與應(yīng)用。該涂料包括液態(tài)硅酸鉀、三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和Zn粉；首先，將三聚磷酸鋁、三氧化二鋁、納米金屬粉和Zn粉均勻混合；然后，邊攪拌邊將上述均勻混合后的混合物加入硅酸鉀中，充分混合；再加入蒸餾水，蒸餾水與上述充分混合后的混合物重量比例為1∶(3～10)，在攪拌機中以2000～2600rpm的轉(zhuǎn)速攪拌5～30分鐘后，經(jīng)200目篩網(wǎng)過濾后即得到涂料。本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的無機涂層較容易從基體材料剝落等問題，該涂料同時具有耐高溫、防腐蝕、耐水的特點，具有良好的抗熱震性能，涂料無毒、無污染，有利于環(huán)保，適用于運行于高溫環(huán)境的合金制件。
文檔編號C04B28/26GK102351497SQ20111018621
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者朱圣龍, 李文波, 王成, 王文, 王福會 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所