1  引言

    鈦合金隨著科技的發(fā)展在航空航天技術、高新裝備制造等多個行業(yè)的地位越來越中重要。與傳統金屬材料相比，鈦合金具有密度小、機械強度高、耐高溫、耐腐蝕、抗腐蝕性好等優(yōu)點，因此被人們稱為“太空金屬”。但鈦合金的最高使用溫度一般低于600℃，因為若溫度超過600℃，鈦合金表面與大氣中的氧發(fā)生氧化反應，鈦合金表面形成氧化層，且氧化速度很快，而這層膜并不致密，不能阻斷氧對下層鈦合金的繼續(xù)氧化，造成鈦合金性能被破壞。所以使用涂層提高鈦合金的高溫抗氧化性能，并且利用涂層的高紅外發(fā)射率性能，能夠使鈦合金表面的熱量通過熱輻射的方式及時發(fā)散，從而使其溫度降低，具有很大的意義。本文從顏填料的選擇，樹脂體系的制備，顏基比的選擇等方面進行研究，制備不同配方涂料，采用噴涂方式制作樣板測試表征，并討論結果。

    2  試驗部分

    2.1   試驗所用原材料和儀器

    2.2  樹脂體系的制備

    采用溶膠-凝膠法制備樹脂體系。按照表2的用量，將硅溶膠、去離子水、乙酸混合于反應器中，室溫下攪拌均勻后，進行加熱并滴加烷氧基硅烷單體混合液，保持攪拌并控制溫度小于60℃，2小時左右滴加完畢，再保溫攪拌2h。制備出耐溫樹脂備用。

    2.3   高紅外發(fā)射率顏填料色漿的制備

    按照表4，將顏填料按比例逐一加入容器，為了保證稱量的準確，各顏填料在稱量前需在110℃的環(huán)境中干燥1~2h。各組分別加入異丙醇90.0g作為溶劑，使用快手研磨分散4h，得到色漿。

    2.4  耐高溫高發(fā)射率涂料的制備

    將上述所制備的顏填料色漿與樹脂按照表4給出的顏基比進行混合，按比例加入烷氧基硅烷單體水解液、硅烷偶聯劑、固化劑，使用高速電動攪拌（轉速800轉/分）分散均勻，得到涂料。

    2.5  耐高溫高發(fā)射率涂層樣板的制備

    實驗采用TC4鈦合金，規(guī)格為98mm×98mm×5mm。先將基材進行預處理，使用清理基材表面，除去基材表面的油污，然后采用噴砂處理，噴砂壓力0.35~0.5 MPa。噴砂處理可以增大涂層與基材的接觸面，增加機械咬合力，提高涂層與基材的結合強度。將制備好的涂料采用噴涂方式涂裝于制備好的樣板表面，涂層厚度控制在50μm±5μm。如果涂層太厚，由于在高溫下基材與涂層的熱膨脹率不同，造成應力過大，導致涂層開裂甚至脫落。在干燥箱中使其表干，時間不低于30min。表干后將樣板至于70～90℃環(huán)境中烘烤不低于2小時使涂料完全固化。

    2.6  涂料性能的檢測與表征

    使用紅外發(fā)射率測試儀測試已完全固化樣板在8~14μm的紅外發(fā)射率。將樣板在600℃高溫馬弗爐煅燒2500S后再次使用紅外發(fā)射率測試儀測試樣板8~14μm的紅外發(fā)射率。

    3  結果與討論

    3.1 高紅外發(fā)射率顏填料對涂料性能的影響

    由表6可以看出，鈦合金表面涂裝耐高溫高紅外發(fā)射率涂料后可以使其表面的紅外發(fā)射率提高至0.980。室溫時1#涂料紅外發(fā)射率最高，其在600℃煅燒后紅外發(fā)射率下降至0.839。涂料的輻射性能與溫度密切相關，在工作溫度下的紅外發(fā)射率才能體現涂料的真實紅外發(fā)射性能。因此，我們在選擇配方時，應盡量選擇在工作溫度下保持較高紅外發(fā)射率的涂料。雖然2#涂料在室溫時發(fā)射率低于1#涂料，但其在600℃煅燒后紅外發(fā)射率降低程度低于1#。原因可能是顏填料在高溫煅燒后的形態(tài)變化補償了部分紅外發(fā)射率損失。3#4#5#相較于1#，無論煅燒前后，紅外發(fā)射率均低于1#。6#經煅燒后紅外發(fā)射率下降最為明顯，原因是炭黑在經過600℃煅燒后，顏料本身褪色嚴重，難以達到高的紅外發(fā)射率。

    3.2 樹脂體系對涂料耐溫性能的影響。

    對比煅燒前后涂層外觀，經高溫煅燒后，涂層外表完整，1#涂層顏色無明顯變化。并且煅燒前后機械性能良好，無較大變化。這是由于選用本文中溶膠凝膠法制備的樹脂體系，涂覆施工后，在鈦合金表面能夠形成一層致密均勻的涂層，該涂層能將基材與外界無縫隔絕，其所形成的SiO2涂層通過限制氣相中的氧的擴散，從而降低氧化膜表面的可用氧，使氧無法通過固態(tài)擴散和沿微孔、裂紋或物理斷裂進行傳輸，抑制了鈦合金在高溫下表面氧化膜的生長，并且提供涂層優(yōu)秀的機械性能。

    由圖1熱失重圖我們可以看出涂料在600℃時失重率為8.2385%，在200~400℃失重較為明顯，達4.591%。溫度超過800℃時，總失重率達為11.14%。在800攝氏度以上，無明顯失重。

    3.3  顏基比對涂料性能的影響

    根據表5中數據，我們發(fā)現當配方中顏基比為1:1 時，煅燒前后紅外發(fā)射率變化最低。此時涂料中高紅外發(fā)射率顏填料用量，能夠在最終形成的涂層中均勻的被包覆在SiO2顆粒網狀結構之間，由于烷氧基硅烷單體水解液無色，對涂層外觀無影響，使高紅外發(fā)射率顏填料能最大限度的發(fā)揮作用。且高紅外發(fā)射率顏填料加入量在12~17%范圍內，可以使所得涂層在不影響成膜性能和施工性能的前提下，保證其在高溫環(huán)境下不發(fā)生起皮，掉落等涂層的破壞。

    4   結語

    通過實驗對比發(fā)現，當顏填料配比為時，室溫時紅外發(fā)射率最高，但經過高溫煅燒后，紅外發(fā)射率從0.980下降到0.852。使用溶膠—凝膠法制備的有機無機雜化樹脂能夠保證涂層在高溫時不發(fā)生褪色、開裂、脫落，能保持良好的機械性能。

    綜上，本文所述方法制成的涂料，其施工工藝簡潔容易，涂層固化工藝簡潔，在滿足耐熱、儲存、外觀等性能要求的同時，能有效的提高涂層的紅外發(fā)射率。

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責任編輯：王元

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