热喷涂涂层封孔剂及其制备方法和封孔方法
阅读说明：本技术 热喷涂涂层封孔剂及其制备方法和封孔方法 (Thermal spraying coating hole sealing agent, preparation method thereof and hole sealing method ) 是由 邓春银 覃恩伟 刘成威 陆海峰 史一岭 黄骞 王博 吴树辉 魏少翀 陈国星 于 2020-12-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种热喷涂涂层封孔剂,所述封孔剂包括合金粉末、分散剂以及载体,所述合金粉末在所述封孔剂中的质量占比为5～10％,所述封孔剂的粘度为25℃下0.05～0.1Pa·S。采用合金粉末制备得到的封孔剂,后续能够对合金粉末进行重熔后实现封孔的功能,且持续效果好,不易失效。分散剂用于对合金粉末进行分散,避免合金粉末的团聚,并采用载体溶剂对合金粉末进行分散支撑,达到合金粉末均匀分散的目的。并通过控制合金粉末的占比、封孔剂的粘度以及本发明中的封孔流程和方法,使得封孔剂能够流入涂层孔隙并具有更大的渗透深度,达到更好的封孔效果。(The invention discloses a hole sealing agent for a thermal spraying coating, which comprises alloy powder, a dispersing agent and a carrier, wherein the mass ratio of the alloy powder in the hole sealing agent is 5-10%, and the viscosity of the hole sealing agent is 0.05-0.1 Pa.S at 25 ℃. The hole sealing agent prepared from the alloy powder can realize the hole sealing function after remelting the alloy powder, and has good continuous effect and difficult failure. The dispersing agent is used for dispersing the alloy powder to avoid the agglomeration of the alloy powder, and the carrier solvent is used for dispersing and supporting the alloy powder to achieve the aim of uniformly dispersing the alloy powder. By controlling the proportion of the alloy powder, the viscosity of the sealant and the hole sealing process and method, the sealant can flow into the coating pores and has larger penetration depth, so that a better hole sealing effect is achieved.)
技术领域
本发明属于封孔技术领域，具体涉及一种热喷涂涂层封孔剂、该封孔剂的制备方法以及采用该封孔剂进行封孔的方法。
背景技术
热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法，赋予基体表面特殊的性能。
热喷涂涂层是由相互叠加的微粒构成，叠加的微粒之间必然存在孔隙，这些孔隙缺陷使腐蚀介质快速扩散通道，显著降低涂层的腐蚀性能。尤其是贯穿性孔隙的存在，使得腐蚀介质有可能通过孔隙到达被保护基体的表面，使涂层与基体发生化学或电化学侵蚀，腐蚀产物在界面积累，使热喷涂涂层龟裂、剥落，最终导致涂层失效。
解决热喷涂涂层存在孔隙的主要途径是采用封孔技术，即将封孔剂(一般为有机材料油状物)涂覆并渗入热喷涂涂层，填塞热喷涂涂层的孔隙，从而实现对热喷涂涂层的封孔处理。
然而，目前的涂层封孔领域存在两个亟待解决的问题：
一、受限于有机物的结构稳定性，纯有机物组分的封孔剂服役温度有限(一般<300℃)。
二、传统的封孔方法为常压刷涂式，即在常压环境下，手工把有机封孔剂均匀刷涂到涂层表面，由封孔剂依靠自身流动性渗透进入涂层孔隙。常压刷涂式封孔工艺有如下缺点：
(1)常压刷涂式封孔工艺存在的技术缺陷：
常压刷涂式封孔工艺存在封孔剂渗透深度浅和封孔剂渗透深度不均匀两大缺点，制约了涂层服役寿命。涂层服役期间，涂层表面将持续受到介质的磨损，一旦磨损量超过封孔剂渗透深度，涂层内部微粒之间的孔隙就暴露在介质环境中，腐蚀介质就可通过孔隙到达被保护基体，涂层就很容易发生剥落，就失去了抗腐蚀或者密封的效果。
1、封孔剂渗透深度浅：常压刷涂工艺下封孔剂靠自身流动性渗透进入涂层表面的微小孔隙中，因孔隙中残留有空气，以及封孔剂自身流动性能有限，封孔剂只能渗透到涂层浅表面，一般渗透深度约为20μm。
一般工业经验表明，在常规介质环境中运转的转动机械设备，其转动部件表面涂层服役时间一般为1-3年即可能脱落，封孔工艺控制不当的涂层服役1年即脱落失效。
2、封孔剂渗透深度不均匀：常压刷涂工艺为人为手工操作，操作者的经验和熟练程度、涂层表面几何形状都影响到封孔剂刷涂的均匀性。如果涂覆层厚度不均，有可能导致在薄涂覆层的部位，封孔剂渗透的渗透深度浅于其他部位。工业经验表明，刷涂式工艺下的渗透深度最浅深度比最深深度小50％。渗透浅薄部位成为涂层服役寿命的薄弱点，影响到涂层寿命。
(2)常压刷涂式封孔工艺生产效率低，体现在两个方面：
1、封孔剂固化时间长：封孔剂固化时间指封孔剂刷涂到涂层表面至封孔剂在涂层孔隙中凝固所需的时间。
常压刷涂式封孔工艺依靠的是封孔剂自身流动性渗透进入涂层孔隙，而封孔剂流动性一般较差，封孔剂流动进入和填充孔隙的动态过程耗时很长。工业经验表明，固化时间至少需要24小时。
2、难以自动化：如上所述，刷涂式封孔工艺为手工操作活动，必须依靠有经验的人员按件手工施工，目前工业上没有实现自动化工艺，制约了大规模、批量化进行高效热喷涂施工的活动。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种热喷涂涂层封孔剂，其能够实现原位重熔，且渗透深度深，封孔效果好。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种热喷涂涂层封孔剂，所述封孔剂包括合金粉末、分散剂以及载体，所述合金粉末在所述封孔剂中的质量占比为5～10％，所述封孔剂的粘度为25℃下0.05～0.1Pa·S。硅酸钠溶剂的粘度优选为25℃下0.01-0.05Pa·S。
采用合金粉末制备得到的封孔剂，后续能够对合金粉末进行重熔后实现封孔的功能，且持续效果好，不易失效。分散剂用于对合金粉末进行分散，避免合金粉末的团聚，并采用载体溶剂对合金粉末进行分散支撑，达到合金粉末均匀分散的目的。并通过控制合金粉末的占比以及封孔剂的粘度，使得封孔剂能够流入涂层孔隙并具有更大的渗透深度，达到更好的封孔效果。
根据本发明的一些优选实施方面，按质量百分比计，所述合金粉末中含有11-19％的Cr，3.5-5.5％的Si，1.5-3.5％的B，余量为Ni。通过合理的设置合金粉末中各元素的占比，使得封孔剂重熔之后的封孔效果以及持续效果更好。
根据本发明的一些优选实施方面，所述合金粉末的粒径范围为0.5-5μm。粒径太小，重熔以及封孔效果不好，粒径太大，无法进入涂层孔隙，通过会影响重熔和封孔效果。
根据本发明的一些优选实施方面，所述分散剂为丙酮，所述载体为硅酸钠溶剂。采用丙酮和硅酸钠相对其他试剂能够达到更优的合金粉末的分散和支撑效果。
根据本发明的一些优选实施方面，所述封孔剂中分散剂的质量占比为30～40％。合理控制分散剂的含量，一方面控制合金粉末的分散效果，另一方面可以控制产品粘度。
本发明还提供了一种上述封孔剂的制备方法，包括如下步骤：制备合金块，将合金块制备得到合金粉末，将合金粉末分散在分散剂中得到合金溶液，将所述合金溶液与载体溶剂混合后得到封孔剂。先制备合金溶液在与载体溶剂混合形成封孔剂，避免了合金粉末团聚无法分散。
根据本发明的一些优选实施方面，具体包括如下步骤：通过物理冶金方法制备得到合金块，采用气雾法(高速气流)冲击合金块得到合金粉末，通过超声波将合金粉末分散在丙酮中得到合金溶液，将所述合金溶液加入至载体溶剂中得到所述封孔剂。其中，制备合金块的物理冶金方法以及气雾法均为相关领域的常规方法。采用超声波能够进一步分散合金粉末，避免其发生团聚。
本发明还提供了一种采用上述的封孔剂进行封孔的方法，封孔方法包括如下步骤：将待封孔的涂层部件放置于密闭容器中，向所述密闭容器内加入封孔剂并使所述封孔剂充满整个密闭容器，控制所述密闭容器为负压状态以使得所述封孔剂流入涂层内部的孔隙；排出密闭容器内的封孔剂，并对涂层部件进行清洗，取出涂层部件晾干；之后对所述涂层部件内的封孔剂进行重熔操作，使得封孔剂中的合金粉末重熔后凝固，填充所述涂层部件的孔隙。采用上述的工艺方法，配合前述的封孔剂，使得封孔剂能够更加深入至涂层的孔隙中，并在孔隙内进行原位重熔，达到充分封孔的效果，且持续效果好。
根据本发明的一些优选实施方面，所述封孔方法还包括在排出密闭容器内封孔剂之前的加压步骤，具体包括如下步骤：恢复密闭容器内的压力为常压后对所述密闭容器进行加压，并维持一定的时间。即在负压后还有正压的过程，进一步使得封孔剂更好的进入涂层的孔隙中。
根据本发明的一些优选实施方面，所述清洗为向所述密闭容器内加入水并进行循环清洗，所述水的温度不低于85℃，以更好地清洗涂层部件表面残留的封孔剂，同时封孔剂中的有机成分在85℃以上的温度环境下凝固固化，填满涂层中的孔隙。
在本发明的一些具体实施例中，封孔方法包括如下步骤：
A.将待封孔的涂层部件放置于密闭容器。
B.向密闭容器中送入前述的液态封孔剂。
C.从密闭容器的顶部抽出容器内空气，最终封孔剂充满整个密闭容器，并维持容器为负压状态，负压维持在0～10pa(绝对压力)，维持时间20～30min。负压状态能够抽出孔隙内的空气，有助于封孔剂流入涂层内部的孔隙，并达到更深的渗透深度。
D.连通容器与大气，恢复密闭容器内的压力为常压。
E.从密闭容器的顶部向密闭容器内部打压，压力维持在不低于6～50bar(绝对压力)，维持时间20～30min。加压进一步强制推动封孔剂进入涂层内部孔隙，并达到更深的渗透深度。
F.排出密闭容器内的封孔剂。
G.将密闭容器与热水罐相连通，热水循环10～15min，清洗涂层部件表面沾附的残余封孔剂，热水温度不低于85℃。且在高温水加热下，留在涂层孔隙中的封孔剂凝固并填满孔隙。
H.取出涂层部件晾干。
I.采用激光加热等方式对涂层孔隙中的封孔剂进行加热熔化，使得封孔剂内的金属粉末原位融化，融化后变形凝固，封住孔隙，达到封孔的效果，金属凝固后封孔效果和持续效果比常规纯有机物的封孔效果更好。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本申请的热喷涂涂层自封封孔剂，采用合金粉末制备得到的封孔剂，后续能够对合金粉末进行重熔后实现封孔的功能，且持续效果好，不易失效。分散剂用于对合金粉末进行分散，避免合金粉末的团聚，并采用载体溶剂对合金粉末进行分散支撑，达到合金粉末均匀分散的目的。并通过控制合金粉末的占比以及封孔剂的粘度，配合封孔流程和方法，使得封孔剂能够流入涂层孔隙并具有更大的渗透深度，达到更好的封孔效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中封孔方法步骤A的示意图；
图2为本发明优选实施例中封孔方法步骤B的示意图；
图3为本发明优选实施例中封孔方法步骤C的示意图；
图4为本发明优选实施例中封孔方法步骤D的示意图；
图5为本发明优选实施例中封孔方法步骤E的示意图；
图6为本发明优选实施例中封孔方法步骤F的示意图；
图7为本发明优选实施例中封孔方法步骤G的示意图；
图8为本发明优选实施例中封孔方法步骤H的示意图；
其中：1密闭容器的封盖，2涂层部件，3封孔剂，41第一开口，42第二开口，43第三开口，44第四开口。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例一封孔剂
本实施例中的热喷涂涂层封孔剂，包括三种成分：合金粉末、分散剂以及载体溶剂。其中，合金粉末在封孔剂中的质量占比为5～10％，分散剂的质量占比为30～40％，其余为载体溶剂。封孔剂的粘度为25℃下0.05～0.1Pa·S。硅酸钠溶剂的粘度优选为25℃下0.01-0.05Pa·S。
本实施例中的分散剂为丙酮，载体为硅酸钠溶剂。采用丙酮和硅酸钠相对其他试剂能够达到更优的合金粉末的分散和支撑效果。且本实施例的封孔剂中合金粉末在的质量占比为8％，分散剂丙酮的质量占比为35％。合理控制分散剂，一方面控制合金粉末的分散效果，另一方面可以控制产品粘度。硅酸钠溶剂的粘度为25℃下0.05Pa·S左右，最终制备得到的封孔剂的粘度为25℃下0.1Pa·S左右。
本实施例中，按质量百分比计，合金粉末中含有16％的Cr，4.5％的Si，2.5％的B，余量为Ni。通过合理的设置合金粉末中各元素的占比，使得封孔剂重熔之后的封孔效果以及持续效果更好；且这样的元素设置，能够接近和适用于核电领域的大部分涂层成分，这样在封孔剂重熔封孔时与涂层的结合就更加牢固。在其他实施例中，按质量百分比计，合金粉末中含有11-19％的Cr，3.5-5.5％的Si，1.5-3.5％的B，余量为Ni。
合金粉末的粒径范围为0.5-5μm。粒径太小，重熔以及封孔效果不好，粒径太大，无法进入涂层孔隙。本实施例中的合金粉末的粒径为2μm。
采用合金粉末制备得到的封孔剂，后续能够对合金粉末进行重熔后实现封孔的功能，且持续效果好，不易失效。分散剂用于对合金粉末进行分散，避免合金粉末的团聚，并采用载体溶剂对合金粉末进行分散支撑，达到合金粉末均匀分散的目的。并通过控制合金粉末的占比、封孔剂的粘度以及下方的封孔流程和方法，使得封孔剂能够流入涂层孔隙并具有更大的渗透深度，达到更好的封孔效果。
实施例二封孔剂的制备方法
本实施例提供了一种实施例1中封孔剂的制备方法，具体包括如下步骤：具体包括如下步骤：通过物理冶金方法制备得到合金块，采用气雾法(高速气流)冲击合金块得到合金粉末，通过超声波将合金粉末分散在丙酮中得到合金溶液，将合金溶液加入至载体溶剂中得到封孔剂，为油状物。先制备合金溶液在与载体溶剂混合形成封孔剂，避免了合金粉末团聚无法分散。采用超声波能够进一步分散合金粉末，避免其发生团聚。
其中，制备合金块的物理冶金方法以及气雾法均为相关领域的常规方法。
实施例三封孔方法
如图1-8所示，本实施例提供了一种采用上述封孔剂进行封孔的方法，具体包括如下步骤：
A.将待封孔的涂层部件2放置于密闭容器内。密闭容器包括下方的盒体以及上方的封盖1，盒体的侧壁上开设有第一开口41、第二开口42以及第四开口44，盒体的底部开设有第三开口43。其中第一开口41、第二开口42位于同一侧壁上，且第二开口42的高度低于第一开口41的高度，第四开口44位于相对的另一侧壁上，如图1所示。
本实施例中涂层部件的基材材料为碳钢，涂层材料为NiCr合金，涂层的厚度为250μm，涂层的制备工艺为电弧喷涂。
B.打开第二开口42，通过其向密闭容器中送入实施例1中制备得到的液态封孔剂3，如图2所示。
C.如图3所示，关闭第二开口42，并打开第一开口41，通过第一开口41从密闭容器的顶部抽出密闭容器内空气，最终封孔剂3充满整个密闭容器，并维持容器为负压状态，真空绝对压力8Pa，维持30min，之后关闭第一开口41。负压状态能够抽出孔隙内的空气，有助于封孔剂流入涂层内部的孔隙，并达到更深的渗透深度。在其他一些实施例中，负压不高于10pa(绝对压力)，维持时间20min。
D.再次打开第一开口41，通过第一开口41连通容器与大气进行泄压，恢复密闭容器内的压力为常压状态，如图4所示。
E.如图5所示，通过第一开口41从密闭容器的顶部向密闭容器内部打压，之后关闭第一开口41。压力维持在不低于6bar(绝对压力)，维持时间不低于20min。即在负压后还有正压的过程，加压操作能够进一步强制推动封孔剂进入涂层内部孔隙，并达到更深的渗透深度。
F.打开第三开口43，排出密闭容器内的封孔剂3，如图6所示。
G.如图7所示，通过第三开口43、第四开口44将密闭容器与热水罐相连通并形成水回路，热水打循环15min，清洗涂层部件表面沾附的残余封孔剂，热水温度不低于85℃。同时，在高温水加热下，留在涂层孔隙中的封孔剂的有机成分凝固并填满孔隙。
步骤C将孔隙中的空气全部抽走之后，孔隙中为负压，所以孔隙中的封孔剂无法流出来，热水只能清洗涂层部件表面沾附的残余封孔剂。
H.打开封盖1，取出涂层部件晾干，如图8所示。
I.采用激光加热等方式对涂层孔隙中的封孔剂进行加热熔化，使得封孔剂内的金属原位重熔，形成致密表层结构，达到封孔的效果，封孔效果和持续效果好。后续即使在>500℃服役温度下，封孔的维持效果也很好。
采用上述的工艺方法，配合前述的封孔剂，使得封孔剂能够更加深入至涂层的孔隙中，并在孔隙内进行原位重熔，充分达到封孔的效果，且持续效果好。
通过上述的A～I步骤可以将封孔工艺设计为一条流水线，实现自动化操作。
实施例四封孔方法
本实施例与实施例3基本相同，不同点在于本实施例中涂层材料为WC(碳化钨)，涂层的制备工艺为超音速火焰喷涂。
对比例一
本对比例为采用实施例1中的封孔剂，但是采用传统的常压刷涂的工艺手段进行封孔：刷涂在涂层表面静置30min。
对比例二
与实施例3基本相同，不同点在于本实施例中涂层材料为WC(碳化钨)，涂层的制备工艺为超音速火焰喷涂。
以下为实施例3-4以及对比例1-2的封孔渗透深度结果对比。
上表的结果表明，对于电弧喷涂工艺制备的涂层，实施例3的封孔方法可以实现全厚度的100％渗透填充，而常规常压刷涂式封孔方法只能渗透至涂层厚度的20％；对于超音速火焰喷涂工艺制备的涂层，实施例4的渗透深度比常压刷涂封孔方法提升40％。所以采用上述的封孔剂和封孔方法的能够有效地增加渗透深度。
本发明提供了热喷涂涂层封孔剂及真空封孔方法，设计了一种自封金属合金粉末有机复合封孔剂，提供了一种利用真空解决刷涂式封孔工艺技术缺陷的连续自动封孔方法，便于实现封孔工艺自动化。
本申请相对于传统的封孔剂以及封孔工艺具有如下的优势：(1)金属合金粉末硅酸钠封孔剂耐高温抗蚀，在高温下能够自愈合为致密氧化膜结构。(2)对于电弧喷涂工艺制备的涂层部件，封孔剂可实现全厚度的渗透填充，大大提高了涂层的服役寿命。(3)封孔固化时间缩短到常压刷涂式封孔工艺的20％，即单间涂层部件封孔固化不超过5h，大大提高涂层封孔效率。(4)采用本申请的封孔剂和封孔工艺能够实现工件批量自动化封孔流水线，大大提高热喷涂生产效率。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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