(10.60)--耐高温涂料在钛合金基材上的应用研究.pdf
耐高温涂料在钛合金基材上的应用研究Study on Application of High Temperature Resistant Coating on Titanium Alloy Substrate摘要：针对目前船舶钛合金基材热力管道在高温环境下的绝缘需求，制备了一种耐高温涂料并开展在钛合金基材上的应用研究。对有机硅树脂进行热失重分析和体积电阻率测试，筛选出最佳树脂；以筛选出的树脂作为基料，制备不同含量玻璃粉、不同颜基比的涂层材料，测试涂层耐温性、耐水性和绝缘性，确定涂料最佳配方。研究喷砂工艺、手动打磨工艺、KH550偶联剂和阿洛丁试剂分别处理基材对涂层耐温性和结合力的影响，确定了耐高温涂料的最佳施工工艺。结果表明，有机硅树脂2#在450 的热失重最小，为5.6%，同时具有较高的体积电阻率，选用有机硅树脂2#作为钛合金基材用耐高温涂料的基料。当玻璃粉在涂料中的质量分数为10%13%时，涂层具有较好的耐温性；当涂料的颜基比为2.0时，涂层具有较佳的耐温性、耐水性和绝缘性能。采用喷砂处理工艺，涂层在常温下附着力为3.2 MPa，经5 h，450 高温试验后，附着力达到5.7MPa，耐温性和力学性能最好。本研究的耐高温涂层在400 下具有长期耐温性能，又保持了良好的电绝缘性和与钛合金的匹配性能。关键词：涂料；耐高温；钛合金；绝缘性；高附着力；有机硅中图分类号：TQ630.7文献标识码：A文章编号：1672-2418(2018)12-0024-05Chen Xiang1,2,Zhuang Haiyan1,2,Ye Zhimin1,2,Wang Jingjing1,2(1.Science and Technology on Marine Corrosion and Protection Laboratory,Xiamen,Fujian 361101,China;2.Xiamen Branch of Luoyang Ship Material Research Institute,Xiamen,Fujian 361101,China)Abstract:Aiming at the high temperature insulation demand of the titanium alloy substrate ofthermal pipe,a kind of high temperature resistant organic silicone coating was prepared.Thethermogravimetric analysis and volume resistivity test of silicone resin were carried out to select thebest resin.The coating materials with different content of glass powder,different pigment/binder ratiowere prepared.Their temperature resistance,water resistance and insulation were tested in order todetermine the best formulation.The substrate was treated by using sandblasting process,manualgrinding process,KH550 coupling agent and Aloydine reagents respectively,wherein the effects ofdifferent treatment processes on the temperature resistance and adhesion of the coating were studiedto determine the best construction process for high temperature coatings.The results show thatsilicone resin 2#has the lowest thermal weight loss(5.6%)at 450 and high volume resistivity.Silicone resin 2#is selected as the agglomerant of high temperature resistant coating for titaniumalloy substrate.When the mass ratio of glass powder in the coating is 10%to 13%,the coating hasgood temperature resistance.When the paint pigment/binder ratio is 2.0,the coating has better tem涂层与防护第 3 9 卷第 1 2 期2 0 1 8 年 1 2 月Vol.39 No.12Dec.2018COATING AND PROTECTION涂层技术 COATING TECHNOLOGY240引言钛及钛合金由于相对密度较小、具有高抗拉伸强度、高比强度、防腐性佳、无磁性、可加工性好等特点，是制造船舶的理想材料。钛合金材料在船舶中的应用可提高装备和船舶整体的性能和使用寿命，同时有利于降低船体重量1。目前船舶的热力管道（如柴油机排烟管、蒸汽管等部位）已逐渐采用钛合金取代传统钢基材，然而在海洋环境下，钛合金与其相接触的异种金属（如铁、铝及铝合金、铜及铜合金等）容易发生电偶腐蚀，影响产品的寿命和可靠程度，制约了钛合金在船舶中的实际应用。涂覆耐高温绝缘涂料可降低在高温环境下钛合金热力管道外壁的腐蚀问题，是一种快捷有效的方式。一般来说，无机耐热涂料的耐温性能较好，但是在高温环境下，涂层的绝缘性能较低，同时绝大部分无机涂料的成膜温度较高，如搪瓷涂层，其成膜温度都在700 以上2，因而它们在钛合金上的使用受到限制。而有机材料的电绝缘性能较好，但有机树脂的使用温度较低，一般不能在350 的温度下使用，需要添加无机粉料以提升涂层的耐温性。本研究以有机硅类树脂为粘合剂，以筛选的耐热颜、填料进行复配，通过配方设计、钛合金表面处理工艺、性能检测等，研制出了钛合金基材用耐高温涂料。1试验1.1主要原料有机硅类树脂、颜料、填料、分散剂、消泡剂、防沉剂、溶剂等，均为市售工业品。1.2仪器设备高速分散机、马弗炉、有气喷涂设备系统、涂层测厚仪、盐雾试验箱、电阻率测试仪等。1.3涂料制备按表1配比在有机硅类树脂中添加助剂、部分溶剂等，低速分散20 min后加入玻璃粉、耐高温填料等颜、填料，高速分散均匀后，用砂磨机进行研磨，待涂料细度符合要求后加入溶剂调节黏度，过滤。表1钛合金用耐高温涂料配方1.4涂层制备基材处理：钛合金基材分别采用喷砂处理和采用80目砂纸手动打磨处理，再用无水乙醇清洗表面，干燥。涂料施工：将耐高温绝缘涂料喷涂或刷涂在基材上，涂层厚度控制在50100 m。1.5性能测试1.5.1耐热性按GB/T 13792009色漆和清漆 耐热性的测定的规定进行测试：将喷涂了钛合金用耐高温涂料的钛合金板放进马弗炉中，从常温升温至450，保温至规定的温度，再自然降温至常温取出，观察涂层表面状态。1.5.2绝缘性按GB/T 14102006固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法的规定测试涂层体积电阻率。perature resistance,water resistance and insulation properties.Using sandblasting process,the coating adhesion at room temperature is 3.2MPa.After high temperature test for 5 h at 450,the adhesion reaches 5.7MPa.And the coating has the best temperature resistance and mechanical properties.The coating has high temperature performance at 400,and it has good electrical insulationand matching performance with titanium alloy.Keywords：coating;high temperature resistant;titanium alloy;electrical insulation,high adhesion;organ silicon resins12345有机硅树脂玻璃粉耐高温填料助剂溶剂30401020304535适量编号原料w%陈翔，等：耐高温涂料在钛合金基材上的应用研究涂层技术 COATING TECHNOLOGY251.5.3力学性能按GB/T52102006色漆和清漆 拉开法附着力试 验 中9.4.2的 规 定 进 行 附 着 力 测 试；按GB/T17311993漆膜柔韧性测定法的规定测试涂层柔韧性；按GB/T 17321993漆膜耐冲击测定法的规定测试涂层耐冲击性。1.5.4耐环境性按GB/T 92741988色漆和清漆 耐液体介质的测定 的规定测试涂层耐柴油性、耐水性；按GB/T17712007色漆和清漆 耐中性盐雾性能的测定的规定测试涂层耐盐雾性；按GB/T 17402007漆膜耐湿热测定法的规定测试涂层耐湿热性。试验结束后，检查涂层表面状况。2结果与讨论2.1树脂的筛选有机硅树脂具有较高的热物理稳定性3，以硅氧键Si-O-Si为主链的有机硅树脂，侧链主要为有机基团，这种结构使有机硅树脂同时具备了无机材料和有机聚合物的性能；且有机硅高聚物在高温环境下，侧链的有机基团氧化形成更加稳定的Si-O-Si键，在表面生成了富含Si-O-Si键的保护层，降低了对聚合物内部的影响4。因此，选用有机硅树脂作为钛合金基材用耐高温涂料的基料，通过对市场上6种具有较高耐温性的有机硅树脂进行对比，试验结果如表2所示。由表2可知，有机硅树脂2#在450 的热失重表2 6种有机硅树脂性能对比最小，同时具有较高的体积电阻率，综合性能最好，缺点是需要高温固化。因此，选用有机硅树脂2#作为钛合金基材用耐高温涂料的基料。2.2颜填料的选择大部分的有机硅树脂在300 以上时开始逐渐分解，此时，低熔点的粉料可代替树脂作为粘结剂，而有机硅树脂此时以Si-O键的形式与粉料粘结，因此，颜、填料的组成对涂层性能具有重大影响。本试验对多种颜、填料及组成对耐高温涂层性能的影响开展了研究。以熔点在400550 的玻璃粉作为填料，玻璃粉在受热下熔化，形成釉质层，替代树脂热分解后作为涂层的成膜物质，形成“二次成膜”，提高涂层的耐温表3玻璃粉用量对涂层性能的影响热重分析（450）/%固化温度/体积电阻率/(m)9.31806.510940.9常温2.11095.61508.610956.2常温9.310833.7807.210930.2809.5108性能品种有机硅树脂1#有机硅树脂2#改性有机硅树脂1#改性有机硅树脂2#改性有机硅树脂3#改性有机硅树脂4#耐温性（450,24 h）耐温试验后体积电阻率（450,24 h）/m严重破坏7.3107基本完好7.2109轻微破坏3.9108基本完好6.3109轻微破坏1.4109性能w/%37101316性。玻璃粉在涂料中的添加量对耐高温涂料性能的影响见表3。由表3可知，当玻璃粉在涂料中的质量分数为10%13%时，涂层具有较好的耐温性。同时，当耐高温涂层经24 h的450 高温试验后,其仍具有较好的电绝缘性能。加入一定含量的云母粉、高岭土、滑石粉，可有效提高涂层的机械性能及与钛合金基材的热膨胀系数匹配性，提高涂层在高温下的抗开裂能力，同时，片状云 母粉 还 有 助 于 提 升 涂 层 的 耐 水 性。加 入Fe2O3，Al2O3，陶瓷微珠等耐高温填料，提高涂层的耐温性能。颜填料在涂料中的含量严重影响涂层的性能，不同颜基比与涂层的性能关系如表4所示。由表4可知，当颜填料含量较低时，涂层受热容易产生裂纹，说明此时分解后剩下的树脂无法与颜填料粘结成膜；而当颜填料含量过高时，粉料之间的孔陈翔，等：耐高温涂料在钛合金基材上的应用研究涂层技术 COATING TECHNOLOGY26隙无法被树脂完全填充，涂料固化成膜后表面粗糙，绝缘性和耐水性较差。当涂料的颜基比为2.0时，涂层具有较佳的耐温性、耐水性和绝缘性能。2.3钛合金基材表面处理工艺对涂层性能的影响钛合金基材的表面状态对耐高温涂层的性能有重大影响。本研究分别采用表面喷砂处理（表面等级为Sa2.5级）、手动打磨（表面等级为St3级）、预先涂覆一道KH550偶联剂处理基材、预先涂覆一道阿洛丁试剂处理基材的工艺对钛合金基材进行表面处理，喷涂2道耐高温涂料，进行耐温性能、常温下涂层实干后的附着力、经450，5 h试验后的涂层附着力测试，试验结果如表5所示。从表5可知，采用喷砂处理（表面等级为Sa2.5级）表4不同颜基比对涂层性能的影响表5不同基材处理工艺对涂层性能的影响的工艺，涂层耐温性和力学性能最好；采用KH550偶联剂处理基材的工艺虽然有助于提升涂层在常温下的附着力，但其耐温性能较差，这主要是因为KH550偶联剂处理基材后在基材表面形成硅氧键，与有机硅树脂交联，可提升涂层在常温下的固化交联密度，从而提升其附着力，但在高温下却容易出现开裂。采用阿洛丁试剂处理基材，对涂层的附着力提升不明显。2.4性能检测测试钛合金用耐高温涂层耐高温性、力学性能、绝缘性、理化性能和耐海洋环境性能，测试结果如表6。表6钛合金用耐高温涂层性能耐温性(450，24 h)附着力/MPa耐盐雾(1 000 h)耐水性(381，10 d)体积电阻率/m附着力（450，24 h）无鼓包、无开裂、无脱皮3.2（3.0 MPa3.5 MPa），30%A/B，70%B无鼓包、无生锈、无脱皮无鼓包、无开裂、无脱皮1.0310125.7MPa（5.4 MPa6.2 MPa），100%B体积电阻率（450，24 h）/m8.81010GB/T17352009GB/T52102006中9.4.2GB/T17712007GB/T 92741988GB/T 14102006GB/T52102006中9.4.2GB/T 14102006项目测试结果测试方法3结语以有机硅树脂为粘结剂，加入低熔点玻璃粉、耐高温填料、助剂和溶剂等，制备成一种钛合金用耐高温涂料。该涂料具有良好的力学性能、理化性能和电绝缘性能，可对钛合金基材进行有效防护，效果良好。耐温性（450,5 h）耐水性/d体积电阻率/(m)严重破坏103.5109基本完好，细微裂纹105.31011基本完好严重破坏1041.010128.81011性能颜基比1.01.52.02.5耐温性（450,5 h）未破坏未破坏轻微破坏未破坏性能基材处理工艺喷砂，Sa2.5级人工抛光，St3级KH550偶联剂阿洛丁试剂附着力（常温）3.2MPa（3.0MPa3.5MPa），30%A/B，70%B1.8MPa（1.5MPa2.1MPa），40%A/B，60%B2.5MPa（2.2MPa2.9MPa），30%A/B，70%B2.0MPa（1.7MPa2.5MPa），40%A/B，60%B附着力（450,5 h）5.7MPa（5.4MPa6.2MPa），100%B3.5MPa（3.1MPa3.7MPa），100%B3.7MPa（3.4MPa3.9MPa），100%B3.4MPa（3.1MPa3.7MPa），100%B（下转第31页）陈翔，等：耐高温涂料在钛合金基材上的应用研究涂层技术 COATING 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