PFA涂層在氧化鋁蒸發(fā)器中的應(yīng)用

魏安安,申登巒,王 瑤

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164)

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PFA涂層在氧化鋁蒸發(fā)器中的應(yīng)用

魏安安,申登巒,王 瑤

(常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，常州 213164)

采用金相顯微鏡及掃描電鏡(SEM)對可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂層表面及涂層與試樣金屬基體的界面形貌進(jìn)行了觀察與分析,對涂層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了測試，通過試驗(yàn)?zāi)M氧化鋁蒸發(fā)器的真實(shí)工作環(huán)境，對PFA涂層進(jìn)行了耐腐蝕性、耐熱性以及耐應(yīng)力腐蝕性能測試。結(jié)果表明:PFA涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高，其各項(xiàng)性能均能滿足氧化鋁蒸器對耐熱、耐蝕性的要求。由此說明，PFA涂層可以用于氧化鋁蒸發(fā)器的腐蝕防護(hù)。

可溶性聚四氟乙烯涂層；氧化鋁蒸發(fā)器；應(yīng)力腐蝕；防腐蝕

蒸發(fā)器是氧化鋁生產(chǎn)中的重要設(shè)備。但由于蒸發(fā)器內(nèi)介質(zhì)中含有30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))苛性堿，工作溫度為160 ℃，又有介質(zhì)的沖刷作用，工作條件十分苛刻，因而僅使用幾個(gè)月就會(huì)發(fā)生堿性腐蝕破裂，嚴(yán)重影響裝置的安全生產(chǎn)。因此，對開裂部位進(jìn)行修復(fù)并采用合適的防護(hù)措施是保障氧化鋁蒸發(fā)器安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素之一。

針對氧化鋁蒸發(fā)器上的裂紋，傳統(tǒng)的修復(fù)措施是用機(jī)械方法消除裂紋，然后進(jìn)行重新焊接修復(fù)[1]。采用這種方法雖然操作簡單，但往往在使用2、3個(gè)月后就會(huì)再次發(fā)生開裂泄漏事故，需要返修的周期短，大大縮短了容器的使用壽命。鐘文飛[2]等提出在氧化鋁蒸發(fā)器內(nèi)表面熱噴涂耐蝕鐵基鎳鉻合金金屬涂層。這種方法可以有效降低氫致開裂發(fā)生的可能性，但此方法費(fèi)用較高，且修復(fù)周期長。魏安安等[3]提出對開裂部位在焊接修復(fù)后采用噴涂可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂料的方法，以達(dá)到快速修復(fù)并長期使用的目的。但由于氧化鋁蒸發(fā)器的工作環(huán)境十分惡劣，通過噴涂PFA涂料來進(jìn)行防護(hù)是否可行還未可知。本工作通過試驗(yàn)?zāi)M氧化鋁蒸發(fā)器的工作環(huán)境，測試PFA涂層的性能，以此來判斷涂層是否可以用于氧化鋁蒸發(fā)器的防護(hù)。

1　試驗(yàn)

1.1試樣

1.1.1 基體材料

氧化鋁蒸發(fā)器多采用Q345R制作而成。故本工作試驗(yàn)采用Q345R(原牌號(hào)16MnR)。其抗拉強(qiáng)度為535 MPa，屈服強(qiáng)度為390 MPa，斷后伸長率為26.5%。主要化學(xué)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:wMn1.34%,wSi0.24%,wC0.18%,wP0.01,wS0.003。

1.1.2 噴涂材料

采用可溶性聚四氟乙烯(PFA)作為噴涂材料型號(hào)為AC-5539。其物理性能如下：密度 0.5 g/mL,粒徑50 μm,熔點(diǎn) 300 ℃,熔融流速2 g/10min。

1.1.3 噴涂工藝的流程

可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂料的靜電噴涂的工藝流程如下：表面預(yù)處理→噴涂底漆→噴涂面層→涂層性能檢測。

采用靜電噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂時(shí)，一次噴涂不能太厚，否則涂層容易出現(xiàn)麻點(diǎn)和流掛現(xiàn)象。噴涂燒結(jié)一層后，形成電絕緣層，導(dǎo)電性明顯降低，增加了進(jìn)一步靜電噴涂的難度，為了獲得厚涂層，在第一層燒結(jié)后需趁熱噴涂。如此反復(fù)噴涂多次，使涂層達(dá)到所需厚度。利用多次噴涂，不僅可以增加涂層厚度，而且可以填平第一次噴涂的表面孔隙，使涂層表面更光滑和平整。但反復(fù)燒結(jié)可能會(huì)導(dǎo)致涂層底層老化，影響涂層性能，所以燒結(jié)次數(shù)一般不宜超過6次。

燒結(jié)的具體工藝參數(shù)如下:燒結(jié)溫度380 ℃,燒結(jié)時(shí)間40 min,涂層厚度0.4 mm。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1 涂層表面質(zhì)量觀測

涂層外觀檢測主要是肉眼觀測涂層的表面有無針孔、脫皮、鼓包、氣泡、劃痕、疏松、擦傷、流掛、皺皮、脫落等缺陷，以此初步判斷噴涂的質(zhì)量[4-5]。若有上述現(xiàn)象，則視為不合格，找出原因，重新噴涂。

1.2.2 結(jié)合強(qiáng)度測試

結(jié)合強(qiáng)度測試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5210-1985《涂層附著力的測定方法 拉開法》進(jìn)行。將兩個(gè)φ20 mm×30 mm的圓柱體試樣的對接表面進(jìn)行粗化處理，然后在一個(gè)試樣的對接表面涂裝厚度為0.5 mm的完好涂層，再在另一試樣的對接(金屬)表面涂一層薄而均勻的粘結(jié)劑E7膠，將兩個(gè)面對正并使其充分粘合(如圖1所示)，并將結(jié)合的試樣置于烘箱內(nèi)在90 ℃烘烤1 h。試驗(yàn)分共三組，其他組試樣也做同樣處理。將試樣安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸，記錄拉斷時(shí)的載荷，并觀察試樣斷面涂層的斷裂情況。

1.2.3 鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)用試樣分兩組，一組為無劃痕涂裝試樣，一組為劃痕涂裝試樣。劃痕刀使用GB9286推薦的單刃切割器，在涂層上劃兩條相互交叉的劃痕，長度約為50 mm，寬度為0.5 mm。劃痕必須劃穿涂層，可見金屬基體。

鹽霧試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)GB 10125-1988《人造氣氛中的腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)(SS試驗(yàn))》[7]進(jìn)行。將純氯化鈉溶于電導(dǎo)率符合要求的蒸餾水或離子水中，配置(50±5) g/L氯化鈉溶液，pH為6.5～7.2，將試樣面向上放置，并與垂直方向成15°～30°，試樣的試驗(yàn)面應(yīng)避免受到鹽霧的直接噴射，鹽霧應(yīng)自由沉降在被測面上，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度為(35±2) ℃，連續(xù)噴霧240 h，試驗(yàn)結(jié)束。

1.2.4 涂層耐熱性能測試

由于多數(shù)有機(jī)物都只能耐120 ℃以下的溫度，而氧化鋁蒸發(fā)器的工作溫度為160 ℃，可溶性聚四氟乙烯涂層能否耐受160 ℃的高溫，需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

耐熱性能試驗(yàn)用試樣尺為φ15 mm×70 mm。試樣分三組，每組6個(gè)試樣，其表面均涂有相同涂裝工藝的PFA涂層，分別將其編號(hào)為：A1～A6、B1～B6及C1～C6。

首先將涂裝好的A、B、C三組試樣分別在160 ℃(A組)、200 ℃(B組)、250 ℃(C組)下加熱96 h，加熱在烘箱中進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)束后，觀察涂層的變化，然后再根據(jù)現(xiàn)有條件及氧化鋁蒸發(fā)器實(shí)際工作環(huán)境中可能遇到的腐蝕情況，并按JIS K5400 7.4～7.5標(biāo)準(zhǔn)方法將試樣分別置于30%(體積分?jǐn)?shù)，下同)鹽酸，65%硝酸，40%氫氟酸，36%乙酸，25%氨水，30%氫氧化鈉溶液中進(jìn)行60 d的浸漬試驗(yàn)，比較試驗(yàn)結(jié)果，判斷其耐溫性。

1.2.5 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

試樣采用標(biāo)準(zhǔn)NACE TM0177-2005中的方法三：標(biāo)準(zhǔn)C型環(huán)試樣浸泡試驗(yàn)。C型環(huán)試樣分Ⅰ、Ⅱ兩組，Ⅰ組為涂裝試樣,涂層厚度為0.5 mm，Ⅱ組為無涂裝試樣，每組各有三個(gè)試樣。標(biāo)準(zhǔn)C型環(huán)試樣的形狀與尺寸見圖2。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)選擇氧化鋁蒸發(fā)器最苛刻的工況條件：溫度為160 ℃，試驗(yàn)溶液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% NaOH溶液。試驗(yàn)裝置、過程嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行。將施加了規(guī)定載荷的標(biāo)準(zhǔn)C型環(huán)試樣用丙酮清洗后放置于試驗(yàn)溶液中浸泡，直至斷裂或試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到720 h，試驗(yàn)結(jié)束。

2　結(jié)果與討論

2.1表面形貌

由圖3(a)可見，氟樹脂涂層比較致密，僅存在少量氧化物和孔隙缺陷。由圖3(b)可見，氟樹脂涂層是層狀組織結(jié)構(gòu)，且由外層到內(nèi)層,涂層的組織結(jié)構(gòu)基本一致，涂層和試樣基體結(jié)合良好，結(jié)合界面干凈平整且無孔隙和雜質(zhì)。涂層表面的這種致密結(jié)構(gòu)可以很好地增強(qiáng)涂料的耐蝕性和防滲透性。

2.2結(jié)合強(qiáng)度

結(jié)合強(qiáng)度σ按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：F為破壞力，N；A為試樣面積,mm2。

結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明，涂層試樣的平均強(qiáng)度為12.9 MPa,此外,涂層的破斷形式為附著破斷，即在涂層與試樣基體間的界面完全分離，這說明涂層內(nèi)聚強(qiáng)度要大于涂層與試樣基體間的結(jié)合強(qiáng)度。涂層與金屬基體的結(jié)合強(qiáng)度十分理想。

2.3耐熱性能

耐熱性試驗(yàn)結(jié)果表明,C1～C6試樣涂層在不同化學(xué)試劑中進(jìn)行60 d浸泡試驗(yàn)后都出現(xiàn)了不同程度的開裂。

試樣經(jīng)160 ℃、200 ℃耐熱試驗(yàn)后,涂層均無變化，在250 ℃溫度下,試樣涂層變暗，失去光澤。究其原因，理論上，PFA的耐溫性能為250 ℃，但是由于噴涂過程中存在的各種各樣的誤差，會(huì)使理論值與實(shí)際值出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致試樣在250 ℃條件下出現(xiàn)涂層失去光澤、變暗現(xiàn)象。在之后的耐溫浸漬試驗(yàn)中，A、B兩組涂層無變化，C組涂層破環(huán)嚴(yán)重，尤其在氫氧化鈉溶液中，涂層徹底失效。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，涂層耐溫性能達(dá)200 ℃，此性能足以應(yīng)對工作溫度為160 ℃的氧化鋁蒸發(fā)器。

2.4鹽霧試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可見,試樣表面除劃痕處出現(xiàn)明顯銹跡外，劃痕附近的涂層仍附著于基體表面，并沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，未出現(xiàn)氣泡、鼓包，用刀具將涂層剝離基體，發(fā)現(xiàn)涂層并未出現(xiàn)整塊剝離，將涂層剝離后，發(fā)現(xiàn)除了劃痕處有銹蝕外，銹蝕幾乎無擴(kuò)散，都集中在劃痕處。這表明除劃痕處外，涂層表面其他區(qū)域得到了有效防護(hù)。

觀察無劃痕試樣，發(fā)現(xiàn)試樣經(jīng)過鹽霧試驗(yàn)后，與試驗(yàn)之前無明顯區(qū)別，根據(jù)涂層抗腐蝕能力的評定標(biāo)準(zhǔn)，此涂層外觀等級(jí)為A級(jí)，涂層并未失效，且抗腐蝕效果佳。這表明涂層結(jié)合強(qiáng)度高，致密性高、抗?jié)B透能力強(qiáng)，NaCl溶液并沒有透過涂層接觸金屬，涂層起到了保護(hù)作用。

2.5應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)C型環(huán)試樣應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示，在施加80%實(shí)測屈服強(qiáng)度的應(yīng)力條件下，Ⅰ組試樣沒有明顯變化，剝掉Ⅰ組試樣表面的涂層發(fā)現(xiàn)試樣表面無銹蝕、無裂紋，與原先基體材料相比沒有明顯變化。Ⅱ組中的三個(gè)C型環(huán)試樣均已斷裂，其試樣宏觀裂紋由邊緣向內(nèi)部擴(kuò)展,見圖4。

由圖5可見，斷口上有較為明顯的腐蝕產(chǎn)物，斷口垂直于主應(yīng)力方向，具有明顯的脆性斷裂特征，可見未涂裝試樣發(fā)生了較為嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕，即Ⅱ組試樣的斷裂是應(yīng)力腐蝕造成的。

以上試驗(yàn)現(xiàn)象表明PFA涂層可以有效預(yù)防材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

3　結(jié)論

觀察涂層的微觀組織可知涂層的表面致密、均勻。通過對涂層的結(jié)合強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能的測試，可說明可溶性聚四氟乙烯涂層與試樣材料可以非常理想的結(jié)合。通過試驗(yàn)綜合分析了涂層的耐蝕性、耐熱性、耐應(yīng)力腐蝕性，結(jié)果表明可溶性聚四氟乙烯涂層可以滿足氧化鋁蒸發(fā)器中的熱耐蝕環(huán)境。上述結(jié)果表明，涂層各方面的性能指標(biāo)較為理想，可以用作氧化鋁蒸發(fā)器的表面防腐蝕。

[1]鄒若飛,焦淑紅,郭清有. 蒸發(fā)器焊縫開裂的原因及解決措施[J]. 焊接,2004(3):42-43.

[2]鐘文飛,魏安安,王友華. 電弧噴涂鐵基鎳鉻合金涂層的耐堿脆性能[J]. 腐蝕與防護(hù),2012,33(2):104-105.

[3]魏安安,范玲玲. 氧化鋁蒸發(fā)器上的氟樹脂涂層防腐技術(shù)研究[J]. 腐蝕與防護(hù),2014,35(8):848-851.

[4]徐增華. 金屬耐蝕材料 沉淀硬化不銹鋼[J]. 腐蝕與防護(hù),2001,22(8):367-370.

[5]莊光山,李麗,王海慶. 金屬表面涂裝技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2010:138-140.

Application of PFA Coating to Alumina Evaporator

WEI An-an, SHEN Deng-luan, WANG Yao

(School of Mechanical Engineering， Changzhou University， Changzhou 213164， China)

The surface condition and coating-metal interace of PFA coating were observed by metallographic microscope and scanning electron microscope (SEM). The bonding strength between coating and metal substrate was tested. The alumina evaporator real working environment was simulated in the experiment,and the performance about the corrosion resistance, heat resistance and stress corrosion resistance of PFA coating were tested, The results show that various properties of the coating can meet requirements of the alumina evaporator. Therefore, PFA coating can be used in alumina evaporator.

PFA coating; alumina evaporator; stress corrosion; corrosion protection

10.11973/fsyfh-201609016

2015-06-09

魏安安(1957-)，教授級(jí)高工，本科，主要從事于壓力容器腐蝕與防護(hù)工作，13912315476，waa12@cczu.edu.cn

TG174.4

A

1005-748X(2016)09-0760-04