CN102839344A - 高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，属于金属表面防护技术领域。它主要由外包层和粉芯组成：外包层为Zn-Al合金带；粉芯主要由纳米Al₂O₃粉、纳米TiO₂粉、纳米Y₂O₃粉组成，它们的重量百分比分别为Al₂O₃粉60%~70%、TiO₂粉10%~20%、余量为Y₂O₃粉。所述纳米粉芯占丝材总重量的5%~20%。用电弧喷涂方法将此新型Zn-Al纳米粉芯丝材喷涂可制备Zn-Al纳米复合涂层。该涂层的抗海洋性气候腐蚀性能与硬度均远高于普通电弧喷涂Zn-Al涂层。

Description

高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法

技术领域

本发明属于金属表面防护技术领域，特别涉及一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法。

背景技术

电弧喷涂Zn-Al涂层是国内针对海洋性气候腐蚀对钢铁件采取的重要保护手段，但目前国内的电弧喷涂Zn-Al涂层存在着耐海洋性气候腐蚀性能不足的情况，给国家经济与发展带来重大损失。我国海军舰艇防腐维修费用每年高达约百亿人民币，舰艇因腐蚀而丧失战斗性能贻误战机的事故也曾有发生。例如：某潜艇上层壳体因严重腐蚀失去强度，引起钢板破裂；停靠在舟山码头的某艇因杂散电流腐蚀而沉没在码头边；铝壳鱼雷快艇在伏击敌舰的关键时刻因海生物附着，腐蚀严重而无法起动；新造的某舰不到一年底板就腐蚀漏穿。在沿海作战的其他武备同样也被海洋严重腐蚀所困扰，舰载直升机的服役寿命只有陆上使用的同机型寿命的2／5；海上的两栖突击战车(水陆两用坦克)其腐蚀状况比内陆内河使用的要严重得多。因此发明一种高耐腐蚀性的涂层至关重要。

常见的电弧喷涂Zn-Al丝材有Zn-Al合金丝材、Zn带包Al丝丝材、Zn-Al粉芯丝材。目前国内有学者研究新型的粉芯丝材，将改性材料以粉芯的形式加入到Zn-Al丝材中，来达到提高Zn-Al耐蚀性的目的。如：2008年11月出版的《金属热处理》第11期中“热喷涂Zn_Al_Mg_RE涂层组织及耐蚀性能研究”一文中采用高速电弧喷涂 ( HVA S )及粉芯丝材技术制备了Zn-Al-M g-RE涂层，通过Mg元素和RE元素的添加降低电弧喷涂Zn-Al合金涂层的孔隙率，但对涂层的耐腐蚀性能和硬度没有明显的改善。目前国内仍没有一种现实有效的技术来大幅度提高电弧喷涂Zn-Al涂层耐腐蚀性能和强硬度。

发明内容

本发明的目的是针对现有电弧喷涂锌铝涂层耐海洋性气候腐蚀性能与力学性能不足的情况，提供一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法。该粉芯丝材通过电弧喷涂技术制备Zn-Al纳米复合涂层，以提高Zn-Al涂层的耐海洋性气候腐蚀性能。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于：它由外包层和粉芯组成：外包层为Zn-Al合金带；粉芯由纳米Al₂O₃粉、纳米TiO₂粉、纳米Y₂O₃粉组成，所述粉芯的成分的重量百分比分别为纳米Al₂O₃粉60%~70%、纳米TiO₂粉10%~20%、余量为纳米Y₂O₃粉，所述纳米粉芯占丝材总重量的5%~20%。

其具体制备方法如下：

（1）以20%~35%蒸馏水为润湿剂，0.5%~0.7％聚乙二醇为分散剂和1%~3%的聚乙烯醇为粘结剂，余量为纳米粉末，使用超声波法将纳米粉末分散，机械搅拌制成均匀混合的料浆。

（2）采用压力喷雾造粒装置，雾化压力为0.4MPa，干燥室温度选择在300℃~320℃范围。料浆喷入干燥室内雾化，在热空气中雾滴迅速干燥，形成微米尺寸的纳米结构填料。

（3）采用多功能药芯丝材成型设备，粉芯丝材的外包层选用宽12~16mm，厚1.0~1.2mm的Zn-Al合金带，将Zn-Al合金带经过几道轧辊的轧制后形成成槽形，将纳米结构填料送入金属槽内，加分系数为8%~28%，再经过几道轧辊的轧制后金属带逐步合成圆形，轧制成型的线材。

（4）将成型的丝材在拔丝机上经3道拉拔逐步减径至Φ1.0mm~Φ3.0mm制成电弧喷涂用粉芯丝材。

本发明与现有Zn-Al丝材相比，具有的有益效果是：该粉芯丝材喷涂所制涂层，通过纳米材料的添加增强涂层的耐腐蚀性能和力学性能。纳米材料的表面效应使得界面上的杂质元素含量大幅度降低，改善涂层的力学性能。纳米粒子的小尺寸效应，起到阻碍涂层中位错移动的作用，增大涂层的强硬度。此外该涂层中的纳米Al₂O₃、TiO₂、和Y₂O₃还大大改善了涂层的孔隙率、耐腐蚀性能和结合强度。此Zn-Al纳米复合涂层与非纳米Zn-Al涂层相比：孔隙率为0.020%~0.050%，远低于非纳米Zn-Al涂层的孔隙率（0.1%~5.0%）；该粉芯丝材喷涂所制涂层硬度为380HV~410HV，比非纳米Zn-Al涂层的硬度（240HV）高出大约58%~70%。中性盐雾腐蚀试验表明：该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.011g/（m²·h）~0.020 g/（m²·h），远低于非纳米Zn-Al涂层的0.038 g/（m²·h）。本发明的粉芯丝材喷涂所制Zn-Al纳米复合涂层的耐腐蚀性能和综合力学性能远高于非纳米Zn-Al涂层，对电弧喷涂Zn-Al涂层的研究与应用具有重大现实意义。

具体实施方式

本发明Zn-Al纳米系粉芯丝材及其涂层制备方法如下：

1、以蒸馏水为分散剂，使用超声波法将纳米粉末分散。在分散后的纳米粉末中，加入水、0.7％聚乙二醇分散剂和聚乙烯醇（PVA）粘结剂，然后机械搅拌制成均匀混合的料浆。

2、采用压力喷雾造粒装置，雾化压力为 0.4 MPa，干燥室温度选择在320℃范围。料浆喷入干燥室内雾化，在热空气中雾滴迅速干燥，形成微米尺寸（粒径为80um±5um）的纳米结构填料。

3、采用多功能药芯丝材成型设备，粉芯丝材的外包层选用宽12~16mm，厚1.0~1.2mm的Zn-Al合金带，将Zn-Al合金带经过几道轧辊的轧制后形成成槽形，将纳米结构填料送入金属槽内，加分系数为8%~28%，再经过几道轧辊的轧制后金属带逐步合成圆形，轧制成型的线材。

4、将成型的丝材在拔丝机上经3道拉拔逐步减径至1.0mm~3.0mm。

5、采用高速电弧喷涂机将上述规范制备的Zn-Al纳米粉芯丝材在经过表面预处理的基体表面喷涂制备涂层，其工艺参数如下：

   空气压缩压力：0.7MPa

   喷涂电压：35V

   喷涂电流：240A

   喷涂距离：170mm

下面，给出制备本发明的高耐腐蚀性高硬度的电弧喷涂Zn-Al纳米粉芯丝材的一些优选的具体实施例。

实施例1

外包层选用宽16mm，厚0.8mm的Zn-Al合金带，粉芯填充率为5%。粉芯的组成及其重量百分比如下：

组分                   重量百分比（%）

纳米Al₂O₃粉              70

纳米TiO₂粉               20

纳米Y₂O₃粉               10 

粉芯丝材直径为2mm

按上述规范制成的粉芯丝材经电弧喷涂于Q235钢工件上形成的喷涂层具有以下特征效果：

1、SEM观察结合Image-Pro Plus图像分析软件测试涂层的孔隙率仅为0.042%，远低于非纳米锌铝涂层的孔隙率（1%~5.0%）。

2、该锌铝纳米复合涂层采用维氏硬度计测得硬度为380HV，比非纳米锌铝涂层硬度（240HV）高出58.33%。

   3、参照GB/T10125-1997中性盐雾腐蚀试验，试验周期为1000h，该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.017 g/（m²·h），远低于非纳米锌铝涂层的0.038 g/（m²·h）。该纳米复合涂层的耐盐雾腐蚀性能优异，远高于非纳米锌铝涂层。

实施例2

外包层选用宽16mm，厚0.8mm的Zn-Al合金带，粉芯填充率为5%。粉芯的组成及其重量百分比如下：

组分                   重量百分比（%）

纳米Al₂O₃粉              65

纳米TiO₂粉、             15

纳米Y₂O₃粉               20 

粉芯丝材直径为2mm

按上述规范制成的粉芯丝材经电弧喷涂于Q235钢工件上形成的喷涂层具有以下特征效果：

1、SEM观察结合Image-Pro Plus图像分析软件测试涂层的孔隙率仅为0.030%，远低于非纳米锌铝涂层的孔隙率（0.1%~5.0%）。

2、该锌铝纳米复合涂层维氏硬度为400HV，比非纳米锌铝涂层硬度（240HV）高出66.67%。

   3、参照GB/T10125-1997中性盐雾腐蚀试验，试验周期为1000h，该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.015 g/（m²·h），远低于非纳米锌铝涂层的0.038 g/（m²·h）。该纳米复合涂层的耐盐雾腐蚀性能优异，远高于非纳米锌铝涂层。

 

实施例3

外包层选用宽16mm，厚0.8mm的Zn-Al合金带，粉芯填充率为5%。粉芯的组成及其重量百分比如下：

组分                   重量百分比（%）

纳米Al₂O₃粉              60

纳米TiO₂粉、             20

纳米Y₂O₃粉               20 

粉芯丝材直径为2mm

按上述规范制成的粉芯丝材经电弧喷涂于Q235钢工件上形成的喷涂层具有以下特征效果：

1、SEM观察结合Image-Pro Plus图像分析软件测试涂层的孔隙率仅为0.032%，远低于非纳米锌铝涂层的孔隙率（0.1%~5.0%）。

2、该锌铝纳米复合涂层维氏硬度为410HV，比非纳米锌铝涂层硬度（240 HV）高出70.83%。

   3、参照GB/T10125-1997中性盐雾腐蚀试验，试验周期为1000h，该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.018 g/（m²·h），远低于非纳米锌铝涂层的0.038 g/（m²·h）。该纳米复合涂层的耐盐雾腐蚀性能优异，远高于非纳米锌铝涂层。

实施例4

外包层选用宽16mm，厚0.6mm的Zn-Al合金带，粉芯填充率为15%。粉芯的组成及其重量百分比如下：

组分                   重量百分比（%）

纳米Al₂O₃粉              70

纳米TiO₂粉、             10

纳米Y₂O₃粉               20 

粉芯丝材直径为2mm。

按上述规范制成的粉芯丝材经电弧喷涂于Q235钢工件上形成的喷涂层具有以下特征效果：

1、SEM观察结合Image-Pro Plus图像分析软件测试涂层的孔隙率仅为0.020%，远低于非纳米锌铝涂层的孔隙率（0.1%~5.0%）。

2、该锌铝纳米复合涂层维氏硬度为405HV，比非纳米锌铝涂层硬度（240HV）高出66.75%。

   3、参照GB/T10125-1997中性盐雾腐蚀试验，试验周期为1000h，该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.011 g/（m²·h），远低于非纳米锌铝涂层的0.038 g/（m²·h）。该纳米复合涂层的耐盐雾腐蚀性能优异，远高于非纳米锌铝涂层。

实施例5

外包层选用宽16mm，厚0.4mm的Zn-Al合金带，粉芯填充率为20%。粉芯的组成及其重量百分比如下：

组分                   重量百分比（%）

纳米Al₂O₃粉              65

纳米TiO₂粉、             15

纳米Y₂O₃粉              20 

粉芯丝材直径为2mm。

按上述规范制成的粉芯丝材经电弧喷涂于Q235钢工件上形成的喷涂层具有以下特征效果：

1、SEM观察结合Image-Pro Plus图像分析软件测试涂层的孔隙率仅为0.050%，远低于非纳米锌铝涂层的孔隙率（0.1%~5.0%）。

2、该锌铝纳米复合涂层维氏硬度为398HV，比非纳米锌铝涂层硬度（240HV）高出65.83%。

   3、参照GB/T10125-1997中性盐雾腐蚀试验，试验周期为1000h，该锌铝纳米复合涂层的腐蚀速率为0.020 g/（m²·h），远低于非纳米锌铝涂层的0.038 g/（m²·h）。该纳米复合涂层的耐盐雾腐蚀性能优异，远高于非纳米锌铝涂层。

Claims (5)

1.一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于：它由外包层和粉芯组成：外包层为Zn-Al合金带；粉芯由纳米Al₂O₃粉、纳米TiO₂粉、纳米Y₂O₃粉组成，所述粉芯的成分的重量百分比分别为纳米Al₂O₃粉60%~70%、纳米TiO₂粉10%~20%、余量为纳米Y₂O₃粉，所述纳米粉芯占丝材总重量的5%~20%。

2.根据权利要求1所述的高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于：所述粉芯的成分的重量百分比分别为纳米Al₂O₃粉70%、纳米TiO₂粉20%、余量为纳米Y₂O₃粉。

3.根据权利要求1所述的高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于：所述粉芯的成分的重量百分比分别为纳米Al₂O₃粉65%、纳米TiO₂粉15%、余量为纳米Y₂O₃粉。

4.根据权利要求1所述的高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于：所述粉芯的成分的重量百分比分别为纳米Al₂O₃粉60%、纳米TiO₂粉20%、余量为纳米Y₂O₃粉。

5.根据权利要求1所述的一种高性能电弧喷涂Zn-Al粉芯丝材及其制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、以20%~35%蒸馏水为润湿剂，0.5%~0.7％聚乙二醇为分散剂和1%~3%的聚乙烯醇为粘结剂，使用超声波法将纳米Al₂O₃粉、纳米TiO₂粉、纳米Y₂O₃粉末分散，机械搅拌制成均匀混合的料浆；

步骤2、采用压力喷雾造粒装置，雾化压力为0.4MPa，干燥室温度选择在300℃~320℃范围，料浆喷入干燥室内雾化，在热空气中雾滴迅速干燥，形成微米尺寸的纳米结构填料；

步骤3、采用多功能药芯丝材成型设备，粉芯丝材的外包层选用宽12~16mm，厚1.0~1.2mm的Zn-Al合金带，将Zn-Al合金带经过几道轧辊的轧制后形成成槽形，将纳米结构填料送入金属槽内，加分系数为8%~28%，再经过几道轧辊的轧制后金属带逐步合成圆形，轧制成型的线材；

步骤4、将成型的丝材在拔丝机上经3道拉拔逐步减径至Φ1.0mm~Φ3.0mm制成电弧喷涂用粉芯丝材。