PFA涂层在氧化铝蒸发器中的应用

魏安安,申登峦,王 瑶

(常州大学 机械工程学院，常州 213164)



PFA涂层在氧化铝蒸发器中的应用

魏安安,申登峦,王 瑶

(常州大学 机械工程学院，常州 213164)

采用金相显微镜及扫描电镜(SEM)对可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂层表面及涂层与试样金属基体的界面形貌进行了观察与分析,对涂层与金属基体的结合强度进行了测试，通过试验模拟氧化铝蒸发器的真实工作环境，对PFA涂层进行了耐腐蚀性、耐热性以及耐应力腐蚀性能测试。结果表明:PFA涂层与基体的结合强度高，其各项性能均能满足氧化铝蒸器对耐热、耐蚀性的要求。由此说明，PFA涂层可以用于氧化铝蒸发器的腐蚀防护。

可溶性聚四氟乙烯涂层；氧化铝蒸发器；应力腐蚀；防腐蚀

蒸发器是氧化铝生产中的重要设备。但由于蒸发器内介质中含有30%(质量分数)苛性碱，工作温度为160 ℃，又有介质的冲刷作用，工作条件十分苛刻，因而仅使用几个月就会发生碱性腐蚀破裂，严重影响装置的安全生产。因此，对开裂部位进行修复并采用合适的防护措施是保障氧化铝蒸发器安全运行的关键因素之一。

针对氧化铝蒸发器上的裂纹，传统的修复措施是用机械方法消除裂纹，然后进行重新焊接修复[1]。采用这种方法虽然操作简单，但往往在使用2、3个月后就会再次发生开裂泄漏事故，需要返修的周期短，大大缩短了容器的使用寿命。钟文飞[2]等提出在氧化铝蒸发器内表面热喷涂耐蚀铁基镍铬合金金属涂层。这种方法可以有效降低氢致开裂发生的可能性，但此方法费用较高，且修复周期长。魏安安等[3]提出对开裂部位在焊接修复后采用喷涂可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂料的方法，以达到快速修复并长期使用的目的。但由于氧化铝蒸发器的工作环境十分恶劣，通过喷涂PFA涂料来进行防护是否可行还未可知。本工作通过试验模拟氧化铝蒸发器的工作环境，测试PFA涂层的性能，以此来判断涂层是否可以用于氧化铝蒸发器的防护。

1　试验

1.1试样

1.1.1 基体材料

氧化铝蒸发器多采用Q345R制作而成。故本工作试验采用Q345R(原牌号16MnR)。其抗拉强度为535 MPa，屈服强度为390 MPa，断后伸长率为26.5%。主要化学(质量分数)为:wMn1.34%,wSi0.24%,wC0.18%,wP0.01,wS0.003。

1.1.2 喷涂材料

采用可溶性聚四氟乙烯(PFA)作为喷涂材料型号为AC-5539。其物理性能如下：密度 0.5 g/mL,粒径50 μm,熔点 300 ℃,熔融流速2 g/10min。

1.1.3 喷涂工艺的流程

可溶性聚四氟乙烯(PFA)涂料的静电喷涂的工艺流程如下：表面预处理→喷涂底漆→喷涂面层→涂层性能检测。

采用静电喷涂设备进行喷涂时，一次喷涂不能太厚，否则涂层容易出现麻点和流挂现象。喷涂烧结一层后，形成电绝缘层，导电性明显降低，增加了进一步静电喷涂的难度，为了获得厚涂层，在第一层烧结后需趁热喷涂。如此反复喷涂多次，使涂层达到所需厚度。利用多次喷涂，不仅可以增加涂层厚度，而且可以填平第一次喷涂的表面孔隙，使涂层表面更光滑和平整。但反复烧结可能会导致涂层底层老化，影响涂层性能，所以烧结次数一般不宜超过6次。

烧结的具体工艺参数如下:烧结温度380 ℃,烧结时间40 min,涂层厚度0.4 mm。

1.2试验方法

1.2.1 涂层表面质量观测

涂层外观检测主要是肉眼观测涂层的表面有无针孔、脱皮、鼓包、气泡、划痕、疏松、擦伤、流挂、皱皮、脱落等缺陷，以此初步判断喷涂的质量[4-5]。若有上述现象，则视为不合格，找出原因，重新喷涂。

1.2.2 结合强度测试

结合强度测试标准GB/T 5210-1985《涂层附着力的测定方法 拉开法》进行。将两个φ20 mm×30 mm的圆柱体试样的对接表面进行粗化处理，然后在一个试样的对接表面涂装厚度为0.5 mm的完好涂层，再在另一试样的对接(金属)表面涂一层薄而均匀的粘结剂E7胶，将两个面对正并使其充分粘合(如图1所示)，并将结合的试样置于烘箱内在90 ℃烘烤1 h。试验分共三组，其他组试样也做同样处理。将试样安装在万能试验机上进行拉伸，记录拉断时的载荷，并观察试样断面涂层的断裂情况。

1.2.3 盐雾试验

盐雾试验用试样分两组，一组为无划痕涂装试样，一组为划痕涂装试样。划痕刀使用GB9286推荐的单刃切割器，在涂层上划两条相互交叉的划痕，长度约为50 mm，宽度为0.5 mm。划痕必须划穿涂层，可见金属基体。

盐雾试验按照标准GB 10125-1988《人造气氛中的腐蚀试验 盐雾试验(SS试验)》[7]进行。将纯氯化钠溶于电导率符合要求的蒸馏水或离子水中，配置(50±5) g/L氯化钠溶液，pH为6.5～7.2，将试样面向上放置，并与垂直方向成15°～30°，试样的试验面应避免受到盐雾的直接喷射，盐雾应自由沉降在被测面上，试验箱内的温度为(35±2) ℃，连续喷雾240 h，试验结束。

1.2.4 涂层耐热性能测试

由于多数有机物都只能耐120 ℃以下的温度，而氧化铝蒸发器的工作温度为160 ℃，可溶性聚四氟乙烯涂层能否耐受160 ℃的高温，需要试验验证。

耐热性能试验用试样尺为φ15 mm×70 mm。试样分三组，每组6个试样，其表面均涂有相同涂装工艺的PFA涂层，分别将其编号为：A1～A6、B1～B6及C1～C6。

首先将涂装好的A、B、C三组试样分别在160 ℃(A组)、200 ℃(B组)、250 ℃(C组)下加热96 h，加热在烘箱中进行。试验结束后，观察涂层的变化，然后再根据现有条件及氧化铝蒸发器实际工作环境中可能遇到的腐蚀情况，并按JIS K5400 7.4～7.5标准方法将试样分别置于30%(体积分数，下同)盐酸，65%硝酸，40%氢氟酸，36%乙酸，25%氨水，30%氢氧化钠溶液中进行60 d的浸渍试验，比较试验结果，判断其耐温性。

1.2.5 应力腐蚀试验

试样采用标准NACE TM0177-2005中的方法三：标准C型环试样浸泡试验。C型环试样分Ⅰ、Ⅱ两组，Ⅰ组为涂装试样,涂层厚度为0.5 mm，Ⅱ组为无涂装试样，每组各有三个试样。标准C型环试样的形状与尺寸见图2。

为了保证试验结果的准确性，试验选择氧化铝蒸发器最苛刻的工况条件：温度为160 ℃，试验溶液为质量分数30% NaOH溶液。试验装置、过程严格按标准要求进行。将施加了规定载荷的标准C型环试样用丙酮清洗后放置于试验溶液中浸泡，直至断裂或试验时间达到720 h，试验结束。

2　结果与讨论

2.1表面形貌

由图3(a)可见，氟树脂涂层比较致密，仅存在少量氧化物和孔隙缺陷。由图3(b)可见，氟树脂涂层是层状组织结构，且由外层到内层,涂层的组织结构基本一致，涂层和试样基体结合良好，结合界面干净平整且无孔隙和杂质。涂层表面的这种致密结构可以很好地增强涂料的耐蚀性和防渗透性。

2.2结合强度

结合强度σ按式(1)计算：

(1)

式中：F为破坏力，N；A为试样面积,mm2。

结合强度试验结果表明，涂层试样的平均强度为12.9 MPa,此外,涂层的破断形式为附着破断，即在涂层与试样基体间的界面完全分离，这说明涂层内聚强度要大于涂层与试样基体间的结合强度。涂层与金属基体的结合强度十分理想。

2.3耐热性能

耐热性试验结果表明,C1～C6试样涂层在不同化学试剂中进行60 d浸泡试验后都出现了不同程度的开裂。

试样经160 ℃、200 ℃耐热试验后,涂层均无变化，在250 ℃温度下,试样涂层变暗，失去光泽。究其原因，理论上，PFA的耐温性能为250 ℃，但是由于喷涂过程中存在的各种各样的误差，会使理论值与实际值出现偏差，导致试样在250 ℃条件下出现涂层失去光泽、变暗现象。在之后的耐温浸渍试验中，A、B两组涂层无变化，C组涂层破环严重，尤其在氢氧化钠溶液中，涂层彻底失效。以上试验结果表明，涂层耐温性能达200 ℃，此性能足以应对工作温度为160 ℃的氧化铝蒸发器。

2.4盐雾试验结果

由图4可见,试样表面除划痕处出现明显锈迹外，划痕附近的涂层仍附着于基体表面，并没有出现剥落现象，未出现气泡、鼓包，用刀具将涂层剥离基体，发现涂层并未出现整块剥离，将涂层剥离后，发现除了划痕处有锈蚀外，锈蚀几乎无扩散，都集中在划痕处。这表明除划痕处外，涂层表面其他区域得到了有效防护。

观察无划痕试样，发现试样经过盐雾试验后，与试验之前无明显区别，根据涂层抗腐蚀能力的评定标准，此涂层外观等级为A级，涂层并未失效，且抗腐蚀效果佳。这表明涂层结合强度高，致密性高、抗渗透能力强，NaCl溶液并没有透过涂层接触金属，涂层起到了保护作用。

2.5应力腐蚀试验结果

标准C型环试样应力腐蚀试验结果显示，在施加80%实测屈服强度的应力条件下，Ⅰ组试样没有明显变化，剥掉Ⅰ组试样表面的涂层发现试样表面无锈蚀、无裂纹，与原先基体材料相比没有明显变化。Ⅱ组中的三个C型环试样均已断裂，其试样宏观裂纹由边缘向内部扩展,见图4。

由图5可见，断口上有较为明显的腐蚀产物，断口垂直于主应力方向，具有明显的脆性断裂特征，可见未涂装试样发生了较为严重的应力腐蚀，即Ⅱ组试样的断裂是应力腐蚀造成的。

以上试验现象表明PFA涂层可以有效预防材料发生应力腐蚀。

3　结论

观察涂层的微观组织可知涂层的表面致密、均匀。通过对涂层的结合强度、抗拉强度等力学性能的测试，可说明可溶性聚四氟乙烯涂层与试样材料可以非常理想的结合。通过试验综合分析了涂层的耐蚀性、耐热性、耐应力腐蚀性，结果表明可溶性聚四氟乙烯涂层可以满足氧化铝蒸发器中的热耐蚀环境。上述结果表明，涂层各方面的性能指标较为理想，可以用作氧化铝蒸发器的表面防腐蚀。

[1]邹若飞,焦淑红,郭清有. 蒸发器焊缝开裂的原因及解决措施[J]. 焊接,2004(3):42-43.

[2]钟文飞,魏安安,王友华. 电弧喷涂铁基镍铬合金涂层的耐碱脆性能[J]. 腐蚀与防护,2012,33(2):104-105.

[3]魏安安,范玲玲. 氧化铝蒸发器上的氟树脂涂层防腐技术研究[J]. 腐蚀与防护,2014,35(8):848-851.

[4]徐增华. 金属耐蚀材料 沉淀硬化不锈钢[J]. 腐蚀与防护,2001,22(8):367-370.

[5]庄光山,李丽,王海庆. 金属表面涂装技术[M]. 北京:化学工业出版社,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-)，教授级高工，本科，主要从事于压力容器腐蚀与防护工作，13912315476，waa12@cczu.edu.cn

TG174.4

A

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