一種耐深海腐蝕高速電弧噴涂層的制備方法
【專利摘要】一種耐深海腐蝕高速電弧噴涂層的制備方法，主要解決鋼結(jié)構(gòu)在深海大應(yīng)力環(huán)境條件下面臨的嚴(yán)重氯化等問題，屬于金屬防腐蝕材料【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明提供一種Al-Ti-Si-RE粉芯絲材，其特征在于由鋁合金外皮和含有Ti、Si、混合稀土鎳粉的混合粉末的粉芯組成；按照質(zhì)量比，其中Ti為15%～25%，Si為1%～3%，混合稀土鎳粉為1%～3%，Al余量；混合稀土鎳粉成分由質(zhì)量百分含量為60%的Ni和40%的混合稀土RE組成，其中混合稀土RE由質(zhì)量百分含量為25%～30%的La；48%～55%的Ce和14%～20%的Nb組成。還包括應(yīng)用所述粉芯絲材制備Al-Ti-Si-RE高速電弧噴涂層的方法。
【專利說明】一種耐深海腐蝕高速電弧噴涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種Al-T1-S1-RE高速電弧噴涂層的制備方法，主要解決鋼結(jié)構(gòu)在深海大應(yīng)力環(huán)境條件下面臨的嚴(yán)重氯化等問題，屬于金屬防腐蝕材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著21世紀(jì)各國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，陸地資源已日趨緊張。因此，人類再一次將發(fā)展的目光投向海洋。眾所周知，海洋面積占地球總面積的71%，深海面積更是占到了地球總面積的92%，其中蘊(yùn)藏著重要的油氣、多金屬結(jié)核、富鈷結(jié)殼、多金屬硫化物、天然氣水合物等新型礦產(chǎn)以及極為豐富的海洋生物資源，其經(jīng)濟(jì)總價(jià)值是陸地資源總價(jià)值的數(shù)十倍，海洋因此成為了各國(guó)高科技競(jìng)爭(zhēng)的重要舞臺(tái)。更為重要的是，它還關(guān)系到很多沿海國(guó)家的國(guó)家安全，從而倍受重視。
[0003]基于以上眾多因素，深海探測(cè)器、深?？臻g站、水下機(jī)器人以及潛艇等深海潛水器的研發(fā)和探究工作層出不窮。然而制約人們深海工程的一個(gè)重要瓶頸就是這些潛水器的基體材料服役問題。腐蝕問題是安全服役問題的重中之重。由于深海實(shí)驗(yàn)對(duì)裝備儀器等要求較高，且深海環(huán)境存在著諸多不確定因素(如海底火山、深海洋流、厭氧生物等)，這就造成實(shí)海掛樣施放和回收等諸多困難，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性較大，又由于深海實(shí)驗(yàn)涉及許多領(lǐng)土資源等敏感問題，因此相關(guān)深海裝備材料腐蝕的研究并不多見?；谝陨现T多因素，造成深海腐蝕的研究長(zhǎng)期停滯不前。然而由于深海工程等對(duì)材料的性能要求不斷提高，因此關(guān)于深海耐蝕材料的研究也就迫在眉睫。 [0004]本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想是:采用具有“自填充”效應(yīng)的Al-T1-S1-RE粉芯絲材制備具有耐壓力腐蝕的涂層，同時(shí)利用Ti和空氣中的N和O等易反應(yīng)的特點(diǎn)來凈化噴涂空氣，使得更多的Al元素減少氧化，從而提高耐蝕能力。
[0005]深海具有高壓、低溫和低溶解氧等環(huán)境特征。由于水壓的存在，使得原來具有“自封閉”效應(yīng)的一些電弧噴涂層(如Zn-AUZn-Al-Mg-RE等)在高速運(yùn)動(dòng)的水分子沖擊下極易從基體剝離，從而不再具有封孔效應(yīng)，失去對(duì)基體的保護(hù)。
[0006]而本發(fā)明的設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)就在于:利用耐蝕性能優(yōu)異的富Ti相作為涂層骨架，再利用易腐蝕的金屬在腐蝕過程中形成的氧化物等填充富Ti相的骨架。由于骨架結(jié)構(gòu)的存在，高速運(yùn)動(dòng)的水分子就不能使腐蝕產(chǎn)物和基體輕易剝離，從而達(dá)到良好的阻擋腐蝕液進(jìn)入基體的效果。目前還未見到關(guān)于利用這種“自填充”機(jī)理解決深海壓力腐蝕的相關(guān)專利和文獻(xiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于制造含有Al、T1、S1、RE元素的粉芯絲材，采用高速電弧噴涂技術(shù)在深海鋼結(jié)構(gòu)上制備Al-T1-S1-RE的防腐涂層，解決鋼結(jié)構(gòu)在深海環(huán)境中面臨的壓力腐蝕問題，提高深海裝備材料的服役壽命。
[0008]鋼結(jié)構(gòu)在海洋中的腐蝕主要是以電化學(xué)腐蝕為主，亦即腐蝕過程是以氧為去極化劑、生成氧化產(chǎn)物的電子轉(zhuǎn)移過程。本發(fā)明主要是提供了一種具有“自填充”效應(yīng)的粉芯絲材涂層，其主體思路是:利用耐蝕的富Ti相作為骨架結(jié)構(gòu)和鋼基體牢固結(jié)合，再利用易腐蝕的富Al相的腐蝕產(chǎn)物在腐蝕過程中填充骨架結(jié)構(gòu)中去，達(dá)到封閉腐蝕通道的作用。
[0009]為了清楚地觀察涂層的這一結(jié)構(gòu)，將涂層用20%的NaOH溶液進(jìn)行侵蝕處理，截面和表面分別如圖6和圖7所示。涂層在用NaOH溶液侵蝕掉涂層中的富Al相之后，剩下的就是富Ti相結(jié)構(gòu)?？梢钥吹剑籘i相結(jié)構(gòu)是一種多孔的結(jié)構(gòu)，它本身是一種惰性電極，基本不參與溶液中的氧化還原反應(yīng)，因此可以穩(wěn)定地存在。但由于它是一種多孔的結(jié)構(gòu)，因此不能阻擋溶液進(jìn)入基體。而富Al相則可以很好地通過自身腐蝕生成的腐蝕產(chǎn)物來填充富Ti相的多孔結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到高度“自填充”的效果。它和具有“自封閉”效應(yīng)的Zn-Al-Mg-RE涂層不同點(diǎn)就在于:富Ti相是一種惰性電極，作為一種骨架結(jié)構(gòu)可以和鋼基體牢固地結(jié)合，從而不會(huì)在深海高壓下(主要是水分子的劇烈運(yùn)動(dòng))剝離失效。而Zn-Al-Mg-RE等“自封閉”涂層中的元素單質(zhì)都會(huì)在深海壓力下受到腐蝕，從而極易從基體剝離。
[0010]Al-T1-S1-RE粉芯絲材，其特征在于由鋁合金外皮和含有T1、S1、混合稀土鎳粉的混合粉末的粉芯組成；按照質(zhì)量比，其中Ti為15%~25%，Si為1%~3%，混合稀土鎳粉為1%~3%, Al余量；[0011 ] 混合稀土鎳粉成分由質(zhì)量百分含量為60%的Ni和40%的混合稀土 RE組成，其中混合稀土 RE由質(zhì)量百分含量為25%~30%的La ；48%~55%的Ce和14%~20%的Nb組成；
[0012]所述的Al-T1-S1-RE粉芯絲材制備Al-T1-S1-RE高速電弧噴涂層的方法，其特征在于該方法包括以下步驟:
[0013]A)材料基體表面的粗化和凈化采用噴砂預(yù)處理；
[0014]B)使用高速電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，噴涂設(shè)備由噴涂電源、送絲機(jī)構(gòu)、壓縮空氣系統(tǒng)和聞速電弧噴涂槍組成；
[0015]C)噴涂Al-T1-S1-RE涂層，噴涂工藝參數(shù)分別是:壓縮空氣壓力0.6~0.8MPa、噴涂電壓32~34V、噴涂電流110~130A、噴涂距離150~200mm。
[0016]絲材用于材料在深海環(huán)境下面臨的腐蝕問題，涂層厚度為80~350 μ m。
[0017]采用粉芯絲材設(shè)計(jì)，可以最大限度的提高材料的利用率，且受不同材料不同熔點(diǎn)的影響較小，便于噴涂絲材的制備。外皮采用Al-2Mg合金外皮，可保證絲材具有足夠的剛度，以便于噴涂時(shí)送絲更加順暢。Ti粉作為主要填充物，和Si粉須充分混合。為保證合理的填充率以及Ti和Al的充分反應(yīng)，也可適當(dāng)在Ti粉和Si粉中加入適量的Al粉。各元素作用如下:
[0018]Al-Mg帶:作為比Fe電極電位低的金屬相，可以在腐蝕過程中對(duì)基體鋼起到犧牲陽極的陰極保護(hù)作用。因此作為主相作為帶材使用。
[0019]Ti粉:在噴涂過程中，和空氣中的N、O等元素結(jié)合，可以減少這些元素和Al等活潑金屬的結(jié)合，從而保護(hù)了活性金屬。同時(shí)，它還可以和N、O等元素形成耐腐蝕的骨架結(jié)構(gòu)，加大和基體鋼的結(jié)合力，同時(shí)將Al等活潑金屬的腐蝕產(chǎn)物禁錮在骨架當(dāng)中，避免這些腐蝕產(chǎn)物在高壓水環(huán)境下被沖蝕掉。
[0020]Si粉:在噴涂中和O結(jié)合可以達(dá)到除氧的作用。同時(shí)和Al可以形成固溶體相，從而降低Al和O的結(jié)合速度，即降低在高壓水中的腐蝕速率。
[0021]混合稀土鎳粉:混合稀土鎳粉成分由質(zhì)量百分含量為60%的Ni和40%的混合RE組成，其中混合RE由質(zhì)量百分含量為25%~30%的La ；48%~55%的Ce和14%~20%的Nb組成；噴涂過程中混合RE元素起到凈化基體表面，提高熔滴潤(rùn)濕性和鋪展性，提高涂層結(jié)合強(qiáng)度的作用。
[0022]本發(fā)明通過如下措施來實(shí)現(xiàn):
[0023]Al-T1-S1-RE粉芯絲材的粉芯由Al粉、Ti粉、Si粉和混合稀土鎳粉組成的混合粉末配置而成，外皮為Al-2Mg合金帶,專門設(shè)計(jì)的Al-2Mg合金帶相對(duì)于傳統(tǒng)方法的純Al帶來說，制備的 絲材硬度更高、剛性更好，使得噴涂過程中送絲性能大為改善，噴涂穩(wěn)定性提高，利于規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。
[0024]本發(fā)明粉芯絲材通過如下方法來制備:
[0025]先將各種粉末按設(shè)計(jì)配比混合均勻，并準(zhǔn)備好一定規(guī)格的上述帶材，通過粉芯絲材成型裝置經(jīng)過裁帶、軋帶、填粉、封口、拔絲等一序列過程，即得成品絲材，絲材生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，要以能連續(xù)生產(chǎn)和不出現(xiàn)翻帶、斷帶、斷絲等現(xiàn)象為要求。
[0026]本發(fā)明涂層制備通過如下方法來實(shí)現(xiàn):
[0027]1、表面預(yù)處理:
[0028]噴涂前的基體表面必須進(jìn)行噴砂處理，以達(dá)到清潔和粗化要求。噴砂時(shí)，壓縮空氣必須清潔干燥，壓力控制在0.6~0.8MPa，采用剛玉砂或符合有關(guān)規(guī)定的其它砂料，噴砂角度為70~90°，噴砂距離在200mm左右，噴砂要求基體全部露出新鮮表面，但噴砂時(shí)間不宜過長(zhǎng)。噴砂后基體的表面粗糙度要達(dá)到Sa3級(jí)水平。
[0029]2、噴涂:
[0030]采用高速電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行在基體表面上噴涂Al-T1-S1-RE涂層，實(shí)現(xiàn)涂層的制備。其設(shè)備不用改變，噴涂工藝參數(shù)略有不同，分別是:壓縮空氣壓力0.6~0.8MPa、噴涂電壓32~34V、噴涂電流110~130A、噴涂距離150~200 mm。
[0031]本發(fā)明粉芯絲材高速電弧噴涂層的技術(shù)指標(biāo):
[0032]顏色外觀:深灰色；
[0033]拉伸結(jié)合強(qiáng)度:>25MPa
[0034]孔隙率:<2%
[0035]涂層厚度=Al-T1-S1-RE涂層 80 ~350 μ m。
[0036]本發(fā)明的特點(diǎn)是選用Al-T1-S1-RE粉芯絲材制備防護(hù)涂層，噴涂過程中Al-T1-S1-RE粉芯絲材內(nèi)的復(fù)合粉末之間以及復(fù)合粉末和外皮之間相互發(fā)生冶金反應(yīng)，形成作為骨架結(jié)構(gòu)的耐蝕的富Ti相(TiN、Al3Ti等)和易腐蝕的純Al相。Al的電位比Fe低，因此在腐蝕初期，對(duì)鋼基體具有犧牲陽極的陰極保護(hù)功能。隨著腐蝕的不斷進(jìn)行，Al單質(zhì)不斷被消耗，形成的腐蝕產(chǎn)物不斷填充到富Ti相堅(jiān)實(shí)的骨架結(jié)構(gòu)中去，封閉腐蝕通道，且在高速運(yùn)動(dòng)的水分子沖擊下不易剝離，從而起到保護(hù)鋼基體的作用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1Al-T1-S1-RE電弧噴涂層表面宏觀照片
[0038]圖2A1-T1-S1-RE電弧噴涂層截面微觀組織照片
[0039]圖3A1-T1-S1-RE電弧噴涂層表面微觀組織照片(高壓腐蝕前)
[0040]圖4A1-T1-S1-RE電弧噴涂層表面微觀組織照片(高壓腐蝕168h后)[0041]圖5A1-T1-S1-RE電弧噴涂層高壓浸泡前后X射線衍射相分析結(jié)果
[0042]圖6用20%侵蝕掉富Al相之后的Al-T1-S1-RE涂層截面形貌
[0043]圖7用20%侵蝕掉富Al相之后的Al-T1-S1-RE涂層表面形貌
[0044]圖8五種絲材方案高壓浸泡168h后的Bode圖阻抗模值
[0045]圖9五種絲材方案高壓浸泡168h的Bode圖相位角
[0046]圖10五種絲材方案高壓浸泡168h的Nyquist圖
【具體實(shí)施方式】
[0047]本發(fā)明的實(shí)施例將進(jìn)一步說明高速電弧噴涂Al-T1-S1-RE涂層的具體實(shí)施方案，但本發(fā)明并不局限于下述實(shí)施例中。
[0048]實(shí)施例1:
[0049]取Ti粉、Si粉、Al粉和混合稀土鎳粉混合均勻，采用規(guī)格為IOmmX0.4mm(寬度X厚度)的Al-2Mg合金帶，通過多功能粉芯絲材成型試驗(yàn)裝置經(jīng)過軋帶、裝藥、封口、拔絲等一序列過程，制得成品絲材，絲材的粉芯填充率為28%，絲材直徑為2mm。
[0050]首先在45鋼基體上使用粒度為0.5~2.0mm的棕剛玉砂進(jìn)行噴砂處理，達(dá)到Sa3級(jí)，再利用高速電弧噴涂設(shè)備將Al-T1-S1-RE粉芯絲材噴涂在材料45鋼基體上，制備表面涂層，涂層厚度控制在0.1mm左右。該帶材的合金組成如下:
[0051]元素重量比/%
[0052]Mgl.5 ~2.5
[0053]Al 余量
[0054]由Al_2Mg合金帶和復(fù)合粉末組成的粉芯絲材中各元素的組成如下:
[0055]
【權(quán)利要求】
1.Al-T1-S1-RE粉芯絲材，其特征在于由鋁合金外皮和含有T1、S1、混合稀土鎳粉的混合粉末的粉芯組成；按照質(zhì)量比，其中Ti為15%~25%，Si為1%~3%，混合稀土鎳粉為1%~3%，Al余量； 混合稀土鎳粉成分由質(zhì)量百分含量為60%的Ni和40%的混合稀土 RE組成，其中混合稀土 RE由質(zhì)量百分含量為25%~30%的La ；48%~55%的Ce和14%~20%的Nb組成。
2.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的Al-T1-S1-RE粉芯絲材制備Al-T1-S1-RE高速電弧噴涂層的方法，其特征在于該方法包括以下步驟: A)材料基體表面的粗化和凈化采用噴砂預(yù)處理； B)使用高速電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行噴涂，噴涂設(shè)備由噴涂電源、送絲機(jī)構(gòu)、壓縮空氣系統(tǒng)和高速電弧噴涂槍組成； C)噴涂Al-T1-S1 -RE涂層，噴涂工藝參數(shù)分別是:壓縮空氣壓力0.6~0.8MPa、噴涂電壓32~34V、噴涂電流110~130A、噴涂距離150~200mm。
3.按照權(quán)利要求2所述方法制備的涂層，其特征在于:涂層厚度為80~350μ m。
【文檔編號(hào)】C23C4/06GK103952654SQ201410127051
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】魏世丞, 徐濱士, 童輝, 劉毅, 田浩亮, 王新坤 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院