本發(fā)明屬于金屬腐蝕防護(hù)，具體而言，涉及一種耐蝕合金材料及其制備方法與針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、海上風(fēng)電機(jī)組的塔筒是整個海上風(fēng)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu)，塔筒的安全可靠是保證海上風(fēng)電機(jī)組能夠長久、穩(wěn)定服役的重要保障。單個塔筒一般由33-50個單節(jié)筒體拼焊完成。塔筒下方的塔架由3～5個大節(jié)制造，節(jié)與節(jié)之間采用高強(qiáng)螺栓連接，法蘭與筒體及大節(jié)內(nèi)各短管節(jié)之間采用對接焊縫連接。對于常見的海上風(fēng)電塔筒，各種類型的焊縫數(shù)量多達(dá)上千個。作為塔筒上各個受力部件的連接，焊縫的質(zhì)量與可靠性對海上風(fēng)電長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

2、由于焊接過程是一個局部快速加熱、冷卻的過程，即使控制好焊接工藝參數(shù)，成型后的焊縫區(qū)域仍存在較多的缺陷，如焊接氣孔、夾渣成分不均勻等焊接缺陷。在海洋腐蝕環(huán)境中，存在以上缺陷的焊縫區(qū)域極易發(fā)生腐蝕，并且局部焊接缺陷容易導(dǎo)致危害十分嚴(yán)重的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕開裂等局部腐蝕，對海上風(fēng)電安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成極大的威脅。目前針對海上風(fēng)電塔筒金屬結(jié)構(gòu)部件的腐蝕防護(hù)措施是在金屬構(gòu)件表面涂刷防腐漆及外加電流保護(hù)等輔助方法。防腐漆可以保護(hù)大部分金屬構(gòu)件避免與海洋腐蝕環(huán)境接觸，減緩金屬構(gòu)件的腐蝕。但是對于焊縫而言，防腐漆的保護(hù)效果較差。這是因?yàn)楹缚p內(nèi)部的焊接缺陷會導(dǎo)致在防腐漆涂裝過程中涂料不能充分滲入，產(chǎn)生漏涂和針孔缺陷，焊渣、焊接飛濺物等缺陷使其所在區(qū)域油漆漆膜厚度不均勻，影響油漆的附著力。由于防腐涂料與基體之間是機(jī)械附著、極性附著和化學(xué)附著，防腐漆與基體的結(jié)合力較差，防腐漆極易發(fā)生脫落從而失去保護(hù)作用。此外，位于浪花飛濺區(qū)的焊縫遭受著更劇烈的腐蝕，浪花飛濺區(qū)的金屬構(gòu)件表面處于干濕交替、高鹽高氧的腐蝕環(huán)境中，這使得腐蝕性介質(zhì)容易進(jìn)入防腐漆內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)層金屬腐蝕，從而出現(xiàn)漆膜起皺、鼓泡、剝落等現(xiàn)象；不僅如此，浪花飛濺區(qū)的金屬構(gòu)件表面還承受著海水及海水中的泥沙的沖刷作用，進(jìn)一步加速防腐漆剝落，金屬基體被腐蝕。

3、由于焊縫區(qū)域的防腐漆與金屬基體結(jié)合并不牢固，并且嚴(yán)酷的海洋腐蝕環(huán)境會進(jìn)一步劣化防腐漆的保護(hù)作用，海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)件的焊縫區(qū)域往往會遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞，對海上風(fēng)電機(jī)組長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行造成潛在的隱患。因此，對海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)部件的焊縫區(qū)域進(jìn)行專門的防腐措施是必要的。目前針對海上風(fēng)電塔筒和塔架焊縫區(qū)域的防腐措施是定期進(jìn)行防腐漆修復(fù)。但是防腐修復(fù)后焊縫區(qū)域的防腐漆的結(jié)合強(qiáng)度仍較差，不能長期保護(hù)金屬基體免受腐蝕。此外，對位于海平面下方的塔架進(jìn)行焊縫防腐修復(fù)的難度較大，技術(shù)成本較高。

4、因此，開發(fā)出一種用于海上風(fēng)電塔筒等結(jié)構(gòu)件焊縫腐蝕防護(hù)技術(shù)對節(jié)省防腐成本、保證海上風(fēng)電機(jī)組長期安全運(yùn)行具有重大意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述的現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種耐蝕合金材料及其制備方法與針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層及其制備方法。本發(fā)明所提供的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層能夠兼顧耐腐蝕性和良好的機(jī)械性能。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種耐蝕合金材料，以質(zhì)量計(jì)，所述耐蝕合金材料包括以下組分：cu：35～50％、mo：1～5％、si：0.8～1.5％、al：1～2％、sb：1～2％，余量為ni。

3、銅元素與鐵元素的固溶度很小，耐蝕合金材料中銅元素可以降低涂層的稀釋率，防止鐵元素大量擴(kuò)散至涂層導(dǎo)致涂層鐵含量過高影響耐蝕性，因此所述耐蝕合金材料中的銅元素含量占35～50wt.％。耐蝕合金材料中的鎳元素既能夠提高材料的耐蝕性，也可以提高材料的力學(xué)性能。

4、銅鎳合金在整個成分范圍內(nèi)均是單相固溶體。在海水腐蝕環(huán)境下，銅元素與海水中的電解質(zhì)離子作用，生成較為致密的cu2o薄膜，可以保護(hù)材料避免與海水接觸從而繼續(xù)發(fā)生腐蝕過程。但是由于腐蝕過程中生成的cu2o中存在大量的空穴缺陷，造成cu2o的保護(hù)能力大大減弱。銅鎳合金中的ni原子可以在腐蝕過程中摻雜到cu2o半導(dǎo)體膜中的離子空穴中，提升cu2o半導(dǎo)體膜的穩(wěn)定性。較多的ni原子也可以提高材料的力學(xué)性能，抵抗材料耐海水沖刷和泥沙沖擊對涂層的破壞。但是在cl-等侵蝕性離子的作用下，銅鎳合金會發(fā)生較為嚴(yán)重的局部腐蝕，具體表現(xiàn)為晶間腐蝕與點(diǎn)蝕，因此需要其他元素來提升銅鎳合金的耐蝕性能。

5、鉬元素可用于提升材料耐晶間腐蝕的能力，少量的鉬元素可以在晶界處發(fā)生偏析，晶間鉬含量高于晶內(nèi)，可以防止晶間腐蝕。

6、al元素可以與ni形成ni3al，產(chǎn)生明顯的沉淀硬化效果，提升涂層的力學(xué)性能與抗海水沖刷性能；此外，al元素可以在腐蝕過程中形成致密的al2o3薄膜，提升cu2o膜的穩(wěn)定性，提高氧化膜的電荷轉(zhuǎn)移電阻，進(jìn)一步提升材料的抵御局部腐蝕的能力。但是，過多的鋁元素會導(dǎo)致涂層開裂，制備困難，因此選擇添加少量的al元素。

7、硅元素具有脫氧作用，并且少量硅元素可以顯著提高合金的力學(xué)性能，但過多的硅元素會導(dǎo)致熔覆時涂層發(fā)生開裂，裂紋的出現(xiàn)不利于提高材料的耐蝕性。

8、銻元素可以減少晶界處cu與cu2o形成的共晶體，提高銅的耐蝕性，降低其導(dǎo)電率和熱導(dǎo)率，銻元素可與含氧銅中的氧化亞銅反應(yīng)形成高熔點(diǎn)的球狀質(zhì)點(diǎn)，分布于晶粒內(nèi)，可消除晶界上的銅與氧化亞銅可能形成的共晶體，提高銅的塑性。

9、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述耐蝕合金材料為粉末狀，粒度為200～400目。

10、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，以質(zhì)量計(jì)，所述耐蝕合金材料包括以下組分：cu：45～50％、mo：1～3％、si：0.8～1.0％、al：1～1.5％、sb：1～1.5％，余量為ni。

11、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，以質(zhì)量計(jì)，所述耐蝕合金材料包括以下組分：cu：48％、mo：2％、si：1.0％、al：1％、sb：1％，余量為ni。

12、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述耐蝕合金材料的制備方法，其包括：

13、步驟s1，稱取cu、mo、si、al、sb、ni的原料置于熔煉容器中，抽真空至1～100pa，然后充入保護(hù)性氣氛至105～110kpa，加熱至1300～1500℃，得到合金液；

14、步驟s2，將所述合金液注入霧化裝置中，進(jìn)行霧化制粉處理，霧化溫度為1160～1250℃，霧化壓力為3～4mpa。

15、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述霧化制粉處理在保護(hù)性氣氛下進(jìn)行。保護(hù)性氣氛可以選自氮?dú)狻鍤?。在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，熔煉容器中的坩堝為水冷銅坩堝，坩堝容量為20kg，最高熔煉溫度為2200℃，最大熔煉功率為250kw，極限真空度為3.0×10-4pa。

16、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，得到合金液后，保溫10min，以更好地使各金屬組分充分混合均勻。

17、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述步驟s2包括：

18、將所述合金液導(dǎo)入帶有噴嘴的霧化裝置中，通過所述噴嘴通入保護(hù)性氣體，進(jìn)行霧化制粉處理；所述保護(hù)性氣體到達(dá)噴嘴時的流速為15～25m/s，壓力為3.5～4.5mpa；所述霧化裝置中合金液的流速為0.2～0.8kg/min。在噴嘴中，保護(hù)性氣體作用于合金液柱流，并將所述合金液柱流分散、破碎、冷卻，得到合金粉末。

19、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述步驟s2后，所述制備方法還包括：步驟s3，將所述霧化制粉處理所得到的粉末進(jìn)行篩分處理。優(yōu)選地，篩分出200～400目的粉末。優(yōu)選地，使用振動篩進(jìn)行所述篩分處理。優(yōu)選地，篩分后，迅速對所得到的粉末進(jìn)行真空包裝，以防止其氧化。

20、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述的耐蝕合金材料制備得到的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層。

21、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層的厚度為400～700微米，表面fe含量低于5wt％。其中，所指表面，是指自所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層的外表面向內(nèi)50微米以內(nèi)的區(qū)域。

22、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層的制備方法，其包括：采用激光熔覆技術(shù)在焊縫表面制備所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層，其中，激光器的功率為1000～2000w，光束直徑為1～2.5mm，送粉方式為環(huán)形同步送粉。所述激光熔覆技術(shù)優(yōu)選的適用方法為：在塔筒制作車間內(nèi)，塔筒的焊接工藝結(jié)束后，使用所述激光熔覆技術(shù)在焊縫的表面制備所述的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層。

23、優(yōu)選地，在進(jìn)行激光熔覆之前，對焊縫進(jìn)行預(yù)處理；優(yōu)選地，所述預(yù)處理包括：使用角磨機(jī)將焊縫的表面打磨平整，并除去表面的參與焊渣與雜質(zhì)，使用丙酮或無水乙醇清洗焊縫及其周圍。

24、優(yōu)選地，在完成激光熔覆之后，使用角磨機(jī)打磨形成的所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層，去除表面未熔的粉末顆粒和熔覆痕跡，保證表面光滑無凸起，并在塔筒表面涂防腐漆。優(yōu)選地，所述防腐漆為環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧玻璃鱗片漆和聚硅氧烷面漆。按照這樣的優(yōu)選，有利于防止焊縫表面制備的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層與基材和海水接觸造成電偶腐蝕。

25、優(yōu)選地，激光器的功率為1500～2000w，激光頭移動速度為5～15cm/s，熔覆過程中步進(jìn)為0.4～0.8mm，送粉量為1～4kg/h，送粉氣流速為5～15l/min，保護(hù)氣體的流速為15～20l/min。

26、在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，采用激光熔覆技術(shù)在焊縫表面制備所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層的方法包括：

27、步驟a1，將激光熔覆頭固定在機(jī)械臂上；

28、步驟a2，設(shè)定熔覆過程中所述激光熔覆頭的行進(jìn)軌跡，保證熔覆區(qū)域覆蓋焊縫及周圍區(qū)域，所述激光熔覆頭的掃描方向?yàn)樗驳拈L度方向，步進(jìn)方向?yàn)樗驳那邢?；熔覆過程中激光頭行進(jìn)路線為軸聯(lián)動控制，為精準(zhǔn)控制熔覆頭距待熔覆區(qū)域的距離，保證熔覆質(zhì)量，使用渦流測距儀輔助控制熔覆在z軸方向的運(yùn)動；

29、激光器的功率優(yōu)選為1500w，激光頭移動速度優(yōu)選為10cm/s，熔覆過程中步進(jìn)優(yōu)選為0.6mm，送粉量優(yōu)選為2kg/h，送粉氣流速優(yōu)選為5l/min，保護(hù)氣體的流速優(yōu)選為15l/min；

30、步驟a3，使用角磨機(jī)打磨制備的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層，去除表面未熔的粉末顆粒和熔覆痕跡，保證表面光滑無凸起，確保防腐漆與針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層之間的結(jié)合力。

31、根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種上述的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層的制備方法，其包括：采用熱噴涂技術(shù)在焊縫表面制備所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層，其中，噴涂時控制送粉量為60～80g/min，噴涂距離為300～400毫米。所述熱噴涂技術(shù)優(yōu)選的適用方法為：對于已經(jīng)安裝并處于服役過程中的塔筒與塔架，當(dāng)焊縫出現(xiàn)腐蝕時，采用熱噴涂技術(shù)在焊縫表面制備所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層。在本發(fā)明的一些優(yōu)選的實(shí)施方式中，使用手持式火焰噴涂設(shè)備對焊縫及周圍表面進(jìn)行噴涂，其中煤油流量為4.5～6.5gph，優(yōu)選為5gph；氧氣流量為1800～2000scfh，優(yōu)選為1800scfh；送粉量優(yōu)選為60g/min。

32、優(yōu)選地，在完成熱噴涂之后，使用角磨機(jī)將所述針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層表面打磨干凈，并在焊縫周圍修補(bǔ)涂上防腐漆。

33、本發(fā)明提供的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層適用于海上風(fēng)電塔筒、塔架等結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)域的腐蝕防護(hù)。

34、本發(fā)明提供的耐蝕合金材料，既可用于在海上風(fēng)電塔筒、塔架等結(jié)構(gòu)件在出廠前的焊縫腐蝕防護(hù)，又可用于已建成的海上風(fēng)電場中塔筒、塔架的焊縫進(jìn)行腐蝕防護(hù)。對于出廠前的結(jié)構(gòu)件，推薦采用激光熔覆技術(shù)制備具有冶金結(jié)合的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層；而對于海上風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場腐蝕防護(hù)，考慮到施工難度，推薦采用熱噴涂技術(shù)。雖然熱噴涂技術(shù)制備的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，其耐蝕壽命低于激光熔覆所得到的針對海上風(fēng)電機(jī)組的焊縫的防護(hù)涂層，但熱噴涂技術(shù)具有噴涂效率高、涂層質(zhì)量受環(huán)境影響較小、現(xiàn)場施工較方便等優(yōu)勢。

35、本發(fā)明提供的腐蝕防護(hù)方案可以顯著提升海上風(fēng)電塔筒等結(jié)構(gòu)件焊縫區(qū)域在不同海洋腐蝕環(huán)境下的耐蝕性，延長海上風(fēng)電塔筒、塔架等結(jié)構(gòu)件的壽命，大大提升海上風(fēng)機(jī)服役過程中的安全、可靠性。