发动机用耐高温铝粉涂料的制备
张玉忠，李 静，艾秋实，王 彦 （ 北京航空材料研究院，北京 100095）
0 引言
发动机高温部件中使用大量高强度钢材，而钢材强度越高，对杂质离子也越敏感，在较高温度下，钢材的腐蚀更快。为避免钢材失效，采用耐高温涂料进行防护是一种行之有效的方法，它以施工方便、成本低廉而得到广泛应用。耐高温涂料一般是指漆膜在200℃以上不脱落、仍能保持适当物理机械性能的涂料［5-6］。其防护机理大致可归为两种：一种是利用涂层的致密性，防止涂层外部的腐蚀介质侵入底材，另一种是依靠防锈颜料和填料起到抑制腐蚀的作用。这两种功能相辅相成，协同起到防护作用。
常用的有机硅耐高温涂料注重耐高温性，但存在附着力和耐腐蚀性差等问题［7］，而发动机部件对耐高温涂料的防腐性要求十分苛刻。因此，在设计耐高温涂料的配方时，需综合考虑漆膜的机械性能、耐热性及防腐性要求。
1 试验部分
1.1 原材料
环氧改性有机硅树脂：中昊晨光；环氧树脂：江苏无锡；铝粉浆：山东济南；铝粉定向剂：Eastman ；流平剂、消泡剂：BYK ；聚酰胺树脂、磷酸锌、三聚磷酸铝、滑石粉、二甲苯、正丁醇：均为工业品。
1.2 仪器设备
1.2 仪器设备
分散机：德国DISPERMAT 公司；盐雾试验箱：美国Q-PANEL 公司；湿热试验箱：美国Q-PANEL公司；烘箱：上海实验仪器厂。
1.3 涂料/ 涂层制备
1.3.1 涂料制备
按表1 配方在树脂中加入磷酸盐、滑石粉等填料及助剂，搅拌均匀，然后用砂磨机研磨至规定的细度，加入溶剂分散，过滤，即制得成品涂料的组分一；组分二为聚酰胺树脂；组分三为铝粉浆。其质量份比为100∶5∶15。
1.3.2 涂层制备
涂层的制备包括底材处理、涂料的施工和涂层固化。
底材处理：将马口铁板用有机溶剂除油、打磨除锈，再用溶剂清洗干净，干燥。
涂料施工：将涂料各组分按规定的配比搅拌均匀，采用空气喷涂（或刷涂）涂覆于马口铁板上，表干后再进行下一道涂料施工。涂层厚度控制在40~80 μm。
涂层固化：将施工完毕的马口铁板置于烘箱内，升温至150℃，2 h 后即可完全固化。
1.4 性能测试
1.4.1 耐高温性
按GB/T 1735—2009 进行涂层耐高温性测试。将涂装耐高温涂料的钢板试片放入烘箱中，从室温升至300℃，保持5 h ；再冷却至室温后取出。用放大镜观察涂层表面状况，如无龟裂、起泡、脱落等现象，即表明涂层耐高温性良好。
1.4.2 耐盐雾性
1.4.2 耐盐雾性
按GB/T 1771—2007 进行涂层耐盐雾性测试。试验结束后，检查涂层表面状况，如无锈蚀、起泡、脱落等现象，即表明涂层耐盐雾性良好。
1.4.3 耐湿热性
按GB/T 1740—2007 进行涂层耐湿热性测试。试验结束后，检查涂层表面状况，如无锈蚀、起泡、脱落等现象，即表明涂层耐湿热性良好。
1.4.4 力学性能
按GB/T 1720—1979 测定附着力；按GB/T 1731—1993 测定柔韧性；按GB/T 1732—1993 测定耐冲击性；按GB/T 6739—2006 测定铅笔硬度。
2 结果与讨论
2.1 耐高温树脂体系的选择
有机硅树脂以Si—O 键为主链，其键能为443.7 kJ/mol，较C—C 键能347 kJ/mol 高很多。由于Si—O 键极性大，键能高，在高温下不易断裂，提高了树脂的热稳定性。在温度超过有机硅树脂的分解温度时，残余的Si—O 键可与部分Al 及Fe 熔合生成Si—O—Al（Fe）合金层。合金层的形成大大提高了涂层与基材的黏结力，不仅热、氧不易侵入，而且涂层的附着力进一步提高，使其耐高温性大幅提升。但有机硅树脂一般需在高温下才能交联固化，为降低固化温度，一般需进行改性处理。
本研究中，采用环氧改性有机硅树脂。若单独采用化学改性的环氧有机硅树脂，由于环氧值较低，经固化后，交联密度低，涂层较软，容易划伤。为提高涂层硬度，在体系中加入了部分环氧树脂进行物理改性。改性后的体系，其涂层硬度提高，可在较低的温度下固化，且涂层耐高温性仍能满足要求。
2.2 颜填料的选择
2.2 颜填料的选择
2.2.1 铝粉浆
本研究中的涂料用于底面合一的涂层，因此选择使用浮型铝粉浆独立作为一个组分。与非浮型铝粉浆相比，浮型铝粉鳞片可漂浮在涂层上层，能屏蔽底材，还可提高涂层阻隔氧气的能力，从而提高涂层的耐温性和耐蚀性。
铝粉浆的种类很多，其中铝粉鳞片的径厚比和处理方法，都会影响涂层的外观和对杂质粒子的阻隔能力。根据铝粉浆的特点和实践经验，选择常用的工业化品种进行试验，通过对涂层外观、耐水性、耐温性等性能比较，确定了铝粉浆的品种和用量。表2给出了3 种铝粉浆对涂层性能的影响。
由表2 可见：体系中加入不同铝粉浆，对涂层的外观、耐水性等有较大影响。根据试验结果，选用铝粉浆C 进行试验。当铝粉浆用量为10%~20% 时，效果较好。
2.2.2 其他颜填料
本研究中，防锈颜料选用了复合磷酸盐（磷酸锌和三聚磷酸铝），填料选用滑石粉、云母、沉淀硫酸钡、轻质碳酸钙等。根据颜填料的自身特点，选择了常用且性能稳定的颜填料品种，通过试验，确定了颜填料的用量和比例。
2.3 助剂的选择
2.3.1 铝粉定向剂
在涂料施工后，由于铝粉浆中铝粉鳞片自身径厚比、处理方法不同等原因，虽在涂层中有一定的定向，但仍有较大可能产生排列方向不一致，这会降低涂层的致密性和对杂质粒子的阻隔性。采用一定量的铝粉定向剂，可改善铝粉鳞片的定向性，提高涂层的致密性和耐温性等性能。表3 是铝粉定向剂对涂层性能的影响。
由表3 可见：铝粉定向剂的加入不但改善了涂层的外观，而且提高了涂层的硬度和耐温性。当铝粉定向剂用量为2% 时，涂层性能佳。继续增加其用量，对涂层性能改善不明显，但会增大涂料黏度，不利于涂料施工。
2.3.2 其他助剂
除铝粉定向剂外，为使各种填料能够更好地分散在树脂中，并提高涂料对底材的附着力，本研究还选择了润湿分散剂；为改善涂层的表面状态，选择了流平剂；为改善涂料的生产状态，选择了消泡剂等等。
2.4 涂层性能
2.4 涂层性能
对制备的环氧改性有机硅铝粉涂层进行了性能检测，结果列于表4。由表4 可见：涂层综合性能良好；涂层耐温性良好；涂层硬度高达4H，不易划伤；涂层耐盐雾性优良，达2 000 h 以上；涂层耐湿热性达1 000 h 以上。该涂料已在某高强钢制造的发动机部件上应用。结果表明，涂层工艺性能良好，耐温性达到要求，力学性能和耐蚀性优良，综合性能达到使用要求。
3 结语
以环氧有机硅树脂为主要成膜物，配以适当的固化剂、功能性颜填料等，制得一种具有良好物理机械性能和防腐蚀性，且在300℃高温下可长期使用的环氧有机硅耐高温铝粉涂料。铝粉可提高涂层的耐高温性和致密性，用量以10%~20% 为宜；铝粉定向剂可改善铝粉的排列分布，从而提高涂层的硬度、致密性、耐温性和防护性能，用量为2% 时，效果佳。
