ECTFE和PTFE涂層在引風(fēng)機葉輪上應(yīng)用研究

李健偉，楊思澤，王金生，武姿廷

（沈陽鼓風(fēng)機集團股份有限公司 研究院，遼寧 沈陽 110869）

云南某磷化工有限責(zé)任公司的黃磷礦冶煉后產(chǎn)生的尾氣經(jīng)過噴淋系統(tǒng)后進入引風(fēng)機，引風(fēng)機介質(zhì)中含有氟化氫和大量水汽，形成了具有特殊腐蝕性的氫氟酸，同時還含有一定量的煙塵，因此對葉輪造成嚴重的腐蝕和沖蝕。引風(fēng)機現(xiàn)場運行1個多月，葉輪出現(xiàn)腐蝕損壞問題，進行表面防護處理后繼續(xù)運行4個月，再次損壞。引風(fēng)機葉輪主要面臨兩個問題，一個是氫氟酸腐蝕問題，另一個是介質(zhì)中含有一定量的噴淋系統(tǒng)清除不徹底的固體粉塵。如何有效增強葉輪在介質(zhì)中的耐腐蝕、耐沖蝕能力，增加葉輪穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時間，保證工藝流程穩(wěn)定運行迫在眉睫。

近些年國內(nèi)外學(xué)者對新能源的開發(fā)探索突飛猛進，如何對金屬基材進行防腐和表面防護成為當(dāng)前研究的熱點［1-3］。在大型風(fēng)機的通流部分存在的葉輪腐蝕、結(jié)垢問題已成為制約設(shè)備安全經(jīng)濟運行的客觀因素，Cr3C2/NiCr等碳化物金屬陶瓷已廣泛應(yīng)用于制造耐磨涂層，以提高零部件的使用壽命，在機械、冶金等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景，如大型風(fēng)機葉輪等工件表面都需要耐腐蝕和高耐磨性的材料［4-8］。開發(fā)性能優(yōu)良、價格低廉的含氟材料，對金屬表面的防護和防腐具有重要作用［9-11］。開展含氟介質(zhì)下防腐耐磨表面處理技術(shù)研究，確定一種耐氫氟酸腐蝕、耐固體粉塵沖蝕的表面處理技術(shù)，可滿足用戶對提高葉輪穩(wěn)定運行時間的需求。

1 涂層材料與工藝方法

1.1 涂層材料

氫氟酸具有極強的腐蝕性，能強烈地腐蝕金屬、玻璃和含硅的物體。耐氫氟酸腐蝕好的材料是Monel400鎳銅合金，但是其價格高昂，其他耐腐蝕材料（如鎳基合金、馬氏體不銹鋼等）也價格不菲。引風(fēng)機葉輪常用的材料為HG785鋼板，屬于高強度焊接結(jié)構(gòu)鋼，具有較高的屈服強度和抗拉強度，被廣泛應(yīng)用于煤礦機械、礦山機械等大型鋼結(jié)構(gòu)件。高性能聚合物涂層種類繁多，通過分析多種高性能聚合物涂層特點，本文選擇了三氟氯乙烯-乙烯（ECTFE）和聚四氟乙烯（PTFE）涂層來進行研究。

ECTFE是半結(jié)晶、可熔融加工的含氟聚合物，在-70～150℃的使用溫度范圍內(nèi)，具有優(yōu)異的耐化學(xué)性能、電絕緣性能和不粘性能，是一種具有出色耐沖擊強度的韌性材料，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其成為耐磨性和防滲透性能最好的含氟聚合物之一；PTFE具有非常優(yōu)良的耐蝕性和耐熱性能，它可以長期在-180～260℃下工作，并具有優(yōu)良的抗粘性。這兩種材料涂層的基本特性如表1所示。

從表1可以看出，ECTFE的抗張強度不小于50 MPa，明顯高于PTFE，兩種材料的分子鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。的分子鏈結(jié)構(gòu)為-[ ]-CF2-CF2--n，是一種完全直鏈型的對稱結(jié)構(gòu)，致使PTFE分子呈電中性；由于PTFE分子間作用力相對較小、表面張力小，致使其機械強度不大。ECTFE的分子鏈結(jié)構(gòu)為-[-CH2-C2CLF3-]-n，為乙烯和三氟氯乙烯1:1共聚物，是一種交替結(jié)構(gòu)的高分子鏈，因此分子間作用力較大，機械強度較高。PTFE分子結(jié)構(gòu)特性致使其比ECTFE擁有更低的表面能，其抗?jié)B透性也要遜色于ECTFE。

表1 ECTFE和PTFE涂層材料的特性對比

圖1 ECTFE和PTFE的分子鏈結(jié)構(gòu)

1.2 涂層工藝方法

靜電粉末噴涂是指用靜電噴粉設(shè)備把粉末涂料噴涂到工件的表面。在靜電作用下，粉末會均勻地吸附于工件表面，形成粉狀的涂層。粉狀涂層經(jīng)過高溫烘烤、流平、固化，變成效果各異的最終涂層。靜電粉末噴涂設(shè)備主要包括靜電粉末噴涂機（高壓靜電發(fā)生器、靜電噴涂槍、供粉器）和保溫箱。粉末靜電噴涂的工藝流程為脫脂除銹→預(yù)熱→靜電粉末噴涂→固化→冷卻。與傳統(tǒng)熱噴涂工藝相比，靜電粉末涂層工藝方法簡單，方向性不強，可一次或多次噴涂，噴涂厚度較厚。

2 ECTFE和PTFE涂層性能對比

對于引風(fēng)機葉輪而言，涂層過厚會改變?nèi)~輪型線，同時增加噴涂涂層成本；而厚度過薄又不足以抵抗氫氟酸的腐蝕，因此涂層的厚度控制很關(guān)鍵。綜合考慮各方面因素，對HG785鋼葉輪涂層的底層材料噴涂一次的厚度為0.1 mm，面層材料的每次噴涂厚度為0.25 mm，一次底層噴涂加三次面層噴涂可獲得0.85 mm的涂層。

對HG785鋼試片，分別噴涂ECTFE涂層和PTFE涂層。使用磁力測微計來測量實際部件的涂層厚度，結(jié)合測厚儀對每次噴涂后的涂層進行檢測，一次底層噴涂加三次面層噴涂均可獲得0.85 mm的涂層，而且涂層整體厚度均勻，波動在5%以內(nèi)。該厚度基本能夠保證引風(fēng)機葉輪在腐蝕介質(zhì)中穩(wěn)定運行一定時間。

2.1 附著力性能對比

按照《膠粘劑的抗剝離性的標準試驗方法》（ASTM D1876-2000T），對兩種高性能聚合物涂層附著力性能進行檢測。試板尺寸為100 mm×100 mm×3 mm，按照計劃進行相同次數(shù)的底層和面層噴涂。用刀具在試樣表面劃2條平行的劃痕，寬度在10 mm～15 mm。在平行劃痕的一端，先用刀劃1條垂直的劃痕，再用鑿子鑿起，使此端與基質(zhì)脫粘。當(dāng)脫粘長度達到10 mm時，用夾具固定此自由端。夾具與測力計相連，并成90°拉伸，如圖2所示。當(dāng)涂層不能從基質(zhì)表面剝離而只能斷裂時，得到附著力。

圖2 剝離試驗

項目試驗涂層按上述標準檢測，附著力如表2所示，每種涂層進行5次附著力實驗，然后計算平均值。通過實驗可見，ECTFE涂層平均附著力為51.6 MPa，而PTFE涂層平均附著力為22.6 MPa，ECTFE涂層附著力約為PTFE涂層的2倍，更高的附著力可以保證ECTFE涂層牢固附著在HG785鋼表面，在腐蝕介質(zhì)中更不易被剝落而提供良好的保護。因為附著力測試具有破壞性，所以本實驗只能用于測試同批次樣品而不能用于實際部件上。

表2 兩種涂層附著力測量結(jié)果 MPa

2.2 硬度性能對比

按照《橡膠特性-邵氏硬度計測硬度的標準試驗方法》（ASTM D2240），對兩種涂層的硬度進行測定，結(jié)果如表3所示。從結(jié)果可以看出，ECTFE涂層平均硬度為HD79，而PTFE涂層平均硬度為HD43，ECTFE涂層硬度接近PTFE涂層硬度的2倍，較高的硬度能夠保證涂層在固體粉塵工況中具有更優(yōu)異的耐沖蝕性能，從而更好地保證涂層的完整性，在相同工況下能更長久地保證葉輪安全穩(wěn)定地運行。

表3 兩種涂層硬度測量結(jié)果

2.3 耐腐蝕性能對比

ECTFE和PTFE兩種涂層均具有一定的耐腐蝕性。采用氫氟酸溶液浸泡實驗方法，經(jīng)過一定時間浸泡后，對比分析兩種涂層的耐氫氟酸腐蝕性能。按照《評估塑料耐化學(xué)試劑性能的標準測試方法》（ASTM D543），采用在高低溫濕熱試驗箱C4-180PRO進行HF水溶液的浸泡腐蝕試驗。由于HF的毒性和腐蝕性，采用pp耐高溫塑料瓶和硅膠管連接作為外部制冷回流管，試驗溫度為80℃，試驗溶液為11.2 wt%的HF溶液泡，試樣為噴涂相應(yīng)涂層的φ30 mm×10 mm的試片，試驗周期為720 h（30 d），最終觀察兩種涂層的腐蝕狀況。腐蝕試驗進行720 h后，兩種涂層表面形貌如圖3所示。

圖3 氫氟酸浸泡腐蝕30 d后涂層表面形貌

PTFE涂層試樣表面?zhèn)€別點及邊緣出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，并且有鼓泡現(xiàn)象，但是ECTFE涂層試樣的表面基本沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。PTFE涂層試片鼓泡比較多，而PTFE涂層材料本身發(fā)生化學(xué)反應(yīng)被氫氟酸腐蝕很少，因為PTFE材料本身耐蝕性是比較好的，當(dāng)浸泡在氫氟酸溶液中時，PTFE材料本身并沒有被氫氟酸腐蝕多少。但是相比于ECTFE涂層，PTFE涂層與基體鋼附著力較差，而且其耐滲透性差，而氫氟酸的腐蝕能力非常強，容易滲透到涂層內(nèi)部以及涂層與基體結(jié)合的位置，進而發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致PTFE涂層出現(xiàn)鼓泡而失效。因此，ECTFE涂層與基體良好的附著力和超好的耐滲透性能夠保證其在氫氟酸腐蝕介質(zhì)中良好服役，保護葉輪基體材料免受腐蝕介質(zhì)侵害，延長葉輪穩(wěn)定運行的時間。

3 ECTFE和PTFE涂層耐固體粉塵沖蝕性能對比

采用高壓氣體和固體顆粒作為介質(zhì)，進行顆粒沖刷試驗。在保證氣體壓力、固體顆粒粒度等參數(shù)不變的條件下，改變沖蝕試驗時間，測量每次沖蝕試驗后的失重量，同時拍攝沖蝕試驗后試片的光學(xué)顯微鏡圖片，以進行不同涂層之間沖蝕性能分析對比。

按照美國材料實驗協(xié)會的《采用氣體射流加速固體顆粒法測試材料耐沖蝕性的標準試驗方法》（ASTM-G76）進行沖蝕性能測試，所用設(shè)備及沖蝕試驗示意圖如圖4所示。壓縮空氣經(jīng)減壓閥調(diào)節(jié)至所需壓力，通過流量計調(diào)節(jié)流量后，攜帶形成具有一定速度的砂氣流沖擊試樣表面，實現(xiàn)對涂層表面的沖蝕磨損。設(shè)定沖蝕距離為50 mm，流量為1 500 L/h，空氣壓力為4 MPa，空氣流量為300 L/min。試驗過程如下：

1）將兩種涂層試樣表面清洗后用高分辨率光學(xué)顯微鏡拍照，放大倍數(shù)為100～500，拍攝試樣原始表面宏觀形貌；

2）沖蝕磨損開始前，將涂層試樣進行超聲波清洗、烘干、稱重；

3）設(shè)θ=30°，采用100目黑剛玉顆粒粉塵對試樣沖蝕磨損3次，每次10 min，每次沖蝕磨損完成后對試樣再次進行超聲波清洗、烘干、稱重；

4）對涂層試樣進行30 min沖蝕磨損后，用高分辨率光學(xué)顯微鏡拍攝表面形貌。

圖4 氣體沖蝕試驗機及沖蝕試驗

3.1 涂層試樣沖蝕后宏觀形貌

圖5為兩種材料涂層沖蝕30 min后的宏觀形貌。從涂層宏觀形貌可以看出，兩種涂層均有明顯沖蝕磨痕，但是沒有發(fā)生明顯的涂層分層剝落現(xiàn)象，該現(xiàn)象暗示著兩種涂層從基體上是逐層剝落的。與PTFE涂層相比，ECTFE涂層沖蝕破壞面積略小，可知ECTFE涂層耐沖蝕性較好。

圖5 兩種材料涂層沖蝕30 min后宏觀形貌

3.2 涂層沖蝕后微觀形貌對比

兩種涂層沖蝕不同時間后的微觀形貌如圖6、圖7和圖8所示。隨著沖蝕時間增加，兩種涂層試樣表面均明顯增加了許多的犁溝，沖蝕后涂層表面孔洞數(shù)明顯增加，粗糙度明顯增大。通過兩種涂層微觀形貌的對比可以看出，ETFE涂層表面的犁溝、劃痕比ECTFE的要更粗大一些，微觀空洞要多，說明ECTFE涂層的抗沖刷性能要比ETFE涂層效果要好。

圖6 兩種涂層沖蝕10 min后的微觀形貌

圖7 兩種涂層沖蝕20 min后的微觀形貌

圖8 兩種涂層沖蝕30 min后的微觀形貌

3.3 兩種涂層沖蝕試驗失重變化

按照試驗方案，每次沖蝕試驗完成后對試樣稱重，其質(zhì)量變化情況如表4所示，將兩種涂層不同沖蝕時間失重量繪制成曲線如圖9所示。

表4 試樣涂層沖蝕后質(zhì)量變化情況

由表4和圖9的失重數(shù)據(jù)來看，兩種涂層的失重均比較少，可見它們的耐沖蝕性能都比較好。觀察不同時間兩種涂層失重量的變化可以發(fā)現(xiàn)：隨著沖蝕時間增加，兩種涂層的失重均明顯增大；對比兩種涂層的失重數(shù)據(jù)可見，沖蝕時間達到20 min后，PTFE涂層的失重量達到ECTFE涂層的2倍以上。

圖9 兩種涂層不同沖蝕時間后的失重量變化

4 結(jié)論

在HG785焊接結(jié)構(gòu)的引風(fēng)機葉輪上，進行ECTFE涂層靜電噴涂工藝具有可實施性，為氫氟酸腐蝕介質(zhì)中的防腐蝕處理提供了一條有效的途徑，相比用戶自行采取的表面處理技術(shù)，能夠使葉輪穩(wěn)定運行的時間提高1倍以上。此外，通過對比ECTFE涂層和PTFE涂層，得出如下結(jié)論：

1）ECTFE涂層比PTFE涂層具有更高的附著力、強度和耐滲透性，進而保證了ECTFE涂層具有更好的耐氫氟酸腐蝕性能和耐固體粉塵沖蝕性能；

2）ECTFE涂層的附著力和硬度是PTFE涂層的2倍左右，ECTFE涂層耐腐蝕性明顯好于PTFE涂層；

3）ECTFE涂層的耐沖蝕性能要明顯優(yōu)于PTFE涂層，ECTFE涂層的耐沖蝕性能可以達到PTFE涂層的2倍以上。