CN107164716B - 一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法，属于防腐蚀材料技术领域。所述粉芯丝材由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC粉、WC粉和Ti粉；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：8％～46％，WC：14％～46％，Ti：8％～46％。使用所述粉芯丝材制备高速电弧喷涂层时，先对基体表面进行喷砂预处理，之后在预处理后的基体表面利用高速电弧喷涂的工艺方法制备Al‑SiC‑WC‑Ti涂层，即所述Al‑SiC‑WC‑Ti高速电弧喷涂层。制备出的Al‑SiC‑WC‑Ti涂层具有结合强度高、防腐性能优异、表面硬度高等特点，可在“高压腐蚀+冲蚀”环境下稳定服役。

Description

一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法

技术领域

本发明涉及防腐蚀材料技术领域，特别涉及一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法。

背景技术

油田储运设施(如油田污水罐、三相分离器、工艺管线等)经常面临“高压腐蚀+冲蚀”的苛刻环境条件，单纯靠有机涂料难以实现长效防护。采用金属涂层是解决腐蚀/磨损问题的有效方法之一。高速电弧喷涂技术是利用两根金属或合金制备成的合金丝材或粉芯丝材之间的电弧使丝材熔化，同时利用压缩空气将其雾化成微熔滴，高速喷射到工件表面形成涂层的技术。高速电弧喷涂技术是钢结构防腐蚀、耐磨损和机械零件维修等实际应用工程中最普遍使用的一种热喷涂技术，具有生产效率高、成本低、工艺实现灵活性高、对工件基体热传输小等优势。

纯Al涂层电位较负，适用于在碳钢或合金钢上进行涂覆。和碳钢或合金钢相比，纯Al涂层相当于阳极，在服役过程中，一方面可优先腐蚀Al来保护钢基体，另一方面Al自身生成的腐蚀产物可有效阻塞涂层表面的微孔隙，形成“自封闭”效应，从而起到保护钢基体的作用。Al涂层作为重防腐手段在很多方面都有成熟应用，例如：在三峡大坝闸门上，就采用了“电弧喷涂Al涂层(200μm)+封孔剂”的防腐工艺进行处理。此外，Al基涂层在很多海洋钢桩、桥梁结构上也有广泛应用。

纯Al涂层耐蚀性能良好，但由于铝自身质地较软，硬度较低，因此在冲蚀、磨蚀等力学损伤的环境下，Al涂层往往会被快速消耗。油田介质中常伴有泥土沙石等固体颗粒，同时，油田储运设施还面临高压腐蚀介质损伤问题，在既有高压腐蚀又有磨损的苛刻环境条件下，Al涂层会被快速损耗，使油田储运设施服役寿命降低，难以实现长效防护。

发明内容

本发明通过提供一种粉芯丝材及高速电弧喷涂层的制备方法，解决了在“高压腐蚀+冲蚀”环境下纯Al涂层损耗快的技术问题。

一方面，为解决上述技术问题，本发明提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、WC和Ti；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：8％～46％，WC：14％～46％，Ti：8％～46％。

优选的，所述SiC、WC和Ti的粒度均为178～297μm。

优选的，所述粉芯丝材的粉芯填充率为33％～37％。

进一步地，所述合金粉中还包含Al粉，粉芯填充率为33％～37％。

另一方面，本发明提供了一种使用上述粉芯丝材制备高速电弧喷涂层的方法，包括：

对基体表面进行喷砂预处理；

对预处理后的基体表面高速电弧喷涂所述粉芯丝材，形成Al-SiC-WC-Ti涂层，即所述Al-SiC-WC-Ti高速电弧喷涂层。

优选的，所述基体材质为碳钢或合金钢。

优选的，在进行所述喷砂预处理时，控制压力为0.6～0.8MPa，喷砂角度为70～90°，喷砂距离为150～180mm。

优选的，所述高速电弧喷涂的工艺参数为：压缩空气压力0.6～0.8MPa、喷涂电压32～36V、喷涂电流110～140A、喷涂距离150～180mm。

优选的，所述Al-SiC-WC-Ti涂层的厚度为200～500μm。

另一方面，本发明提供了一种油田储运设施，包括基体和喷涂在所述基体表面的涂层，所述涂层使用所述的粉芯丝材高速电弧喷涂制得。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

(1)本发明实施例提供的粉芯丝材，在粉芯丝材中加入硬质相颗粒以增强Al涂层硬度，同时添加抗高压腐蚀元素以增强Al涂层耐高压腐蚀能力，有效解决纯Al涂层在“高压腐蚀+冲蚀”环境下损耗快的技术问题；

(2)本发明实施例制备的高速电弧喷涂层，具有结合强度高、防腐性能优异、表面硬度高等特点；所制备的复合涂层可应用于油田储运设施防腐涂层，在“高压腐蚀+冲蚀”环境下稳定服役，提高油田储运钢结构设施的服役寿命。

附图说明

图1是本发明实施例中制备高速电弧喷涂层的方法流程图；

图2是本发明实施例1制备的Al-SiC-WC-Ti电弧喷涂层表面宏观照片；

图3是本发明实施例1制备的Al-SiC-WC-Ti电弧喷涂层截面微观组织照片。

具体实施方式

本发明实施例提供一种粉芯丝材及制备高速电弧喷涂层的方法，解决了在“高压腐蚀+冲蚀”环境下纯Al涂层损耗快的技术问题，可应用于油田储运设施防腐涂层，提高油田储运钢结构设施的服役寿命。

为解决上述技术问题，本发明实施例总体思路如下：

本发明提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、WC和Ti；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：8％～46％，WC：14％～46％，Ti：8％～46％。

通过以上内容可以看出，由于本发明采用铝合金为丝材外皮，以Al作为耐蚀相基体，在Al基体中加入SiC和WC硬质颗粒相，以形成“软基体+硬质点”的既耐蚀又耐磨的涂层结构，起到增加涂层硬度和耐磨性的作用；同时，加入Ti元素，可有效提高涂层耐高压腐蚀能力；从而有效解决纯Al涂层在“高压腐蚀+冲蚀”环境下损耗快的技术问题，可用于油田储运设施防腐涂层的制备，提高油田储运钢结构设施的服役寿命。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

一方面，本发明实施例提供了一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，所述合金粉包含SiC、WC和Ti；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：8％～46％，WC：14％～46％，Ti：8％～46％。

本发明实施例中，所述SiC、WC和Ti的粒度均为178～297μm，SiC、WC和Ti的粒度过大或过小会造成喷涂过程中焰流不稳定，具体实施过程中过50～80目筛以保证合适的粒度。SiC、WC和Ti粉作为主要填充物，三者须充分混合，且三者粒度不能相差过大，以免在混粉过程中出现偏聚。

本发明实施例中，所述粉芯丝材的粉芯填充率为33％～37％。填充率过大会造成粉芯丝材制备过程中拉丝困难，过小则容易造成丝材空芯。

进一步地，所述合金粉中还包含Al粉，粉芯填充率为33％～37％。为保证合理的填充率以及合金粉与铝合金外皮充分反应，可适当在合金粉中添加相同粒度的Al粉来加以平衡。

本发明实施例利用SiC和WC等硬质相增强涂层硬度，同时添加Ti元素提高Al涂层的耐高压腐蚀能力，并充分考虑各粉末的熔点与粒度等因素，得到能够稳定喷涂的粉芯丝材。采用该粉芯丝材设计，可以最大限度的提高材料的利用率，且受不同材料不同熔点的影响较小，便于粉芯丝材的制备。

本发明实施例提供的粉芯丝材中铝合金外皮和粉芯的各组分作用如下：

Al带：铝合金作为丝材外皮，作为比Fe电极电位低的金属，可以在腐蚀过程中对基体钢起到牺牲阳极的阴极保护作用，因此将Al作为主相使用。

SiC粉：SiC具有较高的硬度，可在Al基涂层中充当耐磨质点，且SiC在高温下比较稳定，即使在高温喷涂后依然能保持原来的形态，是非常适合于喷涂的粉末材料。SiC属于陶瓷粉末，添加过多会在喷涂过程中不能充分熔化，形成飞溅，添加过少则不能起到增加涂层硬度的目的，因此综合确定其在合金粉中含量为8％～46％。

WC粉：WC同样具有较高的硬度，同时WC还具有较强的抗冲击性能。在粉芯中加入适量的WC，可有效提高涂层的抗冲击和抗冲蚀能力，还可有效提高耐磨质点的稳定性。WC属于陶瓷粉末，但由于其分子量较大，添加过多会影响其他合金成分加入，添加过少则不能起到稳定涂层结构的效果，因此综合确定其在合金粉中含量为14％～46％。

Ti粉：Ti在高温下比较活泼，能够在喷涂过程中与N、O等元素结合，减少Al的损耗，从而保持了Al涂层的活性。在喷涂过程中形成的TiN、TiO₂、AlTi等化合物均具有良好的耐蚀性和热稳定性，同时它们还可对涂层起到良好的骨架支撑作用。但Ti的添加量过大容易引起晶间腐蚀，添加量过少则不能起到增强耐蚀性的作用，因此综合确定其在合金粉中含量为8％～46％。

本发明实施例中的粉芯丝材采用现有的常规方法来制备：

先将SiC粉、WC粉和Ti粉末按设计配比混合均匀，并准备好一定规格的铝合金带，带材要求具有一定的厚度以保持其拉拔强度，通过粉芯丝材成型装置经过裁带、轧带、填粉、封口、拔丝等过程，制得成品丝材，丝材生产过程中的工艺参数，以能连续生产和不出现翻带、断带、断丝等现象为要求。

另一方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种使用上述粉芯丝材制备高速电弧喷涂层的方法，请参考图1，包括：

步骤S110：对基体表面进行喷砂预处理；

所述基体材质为碳钢或合金钢。喷涂前的基体表面必须进行喷砂处理，以达到清洁和粗化要求。

喷砂时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6～0.8MPa，采用刚玉砂或符合有关规定的其它磨料，喷砂角度为70～90°，喷砂距离为150～180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，但喷砂时间不宜过长。喷砂后基体的表面粗糙度要达到Sa2.5级水平。

步骤S120：对预处理后的基体表面高速电弧喷涂所述粉芯丝材，形成Al-SiC-WC-Ti涂层，即所述Al-SiC-WC-Ti高速电弧喷涂层。

利用现有的高速电弧喷涂设备进行高速电弧喷涂，高速电弧喷涂的工艺参数为：压缩空气压力0.6～0.8MPa、喷涂电压32～36V、喷涂电流110～140A、喷涂距离150～180mm。压缩空气压力过大会引起焰流不集中，出现飞溅现象；过小则不能使焰流达到所要求的喷涂速度。喷涂电压过大会引起丝材过度蒸发，丝材还未到达基体既已大量损失；过小丝材则不能起弧。喷涂电流过大会引起丝材过烧，影响喷涂稳定性；过小丝材不能充分熔化，影响涂层性能。喷涂距离过大会引起丝材熔滴不能充分与基体钢结合，形成的涂层结合强度较低；过小则会引起熔滴飞溅，影响涂层沉积率。综合考虑各工艺因素间的相互作用和相互影响，最终确定了上述工艺参数，该工艺参数能够使焰流最为稳定，且涂层致密性较好，可保证喷涂层具有高的结合强度和低的孔隙率。

形成的Al-SiC-WC-Ti涂层的厚度为200～500μm。喷涂的涂层应具有合适的厚度，涂层太薄不能很好地起到防腐耐磨效果，太厚则容易引起应力集中，造成涂层结合强度下降。

本发明实施例的粉芯丝材高速电弧喷涂层的技术指标：

颜色外观：暗灰色；

拉伸结合强度>30MPa；

孔隙率＜5％；

涂层厚度：200～500μm。

本发明实施例将熔点相差较大的合金元素混合使用，形成的涂层具有“软基体+硬质点”的特征，形成的Al-SiC-WC-Ti涂层具有耐“高压腐蚀”和耐“冲蚀”的双重特性，且抗冲击性能良好。

另一方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种油田储运设施，包括基体和喷涂在所述基体表面的涂层，所述涂层使用上述粉芯丝材通过高速电弧喷涂方法制得。

所述油田储运设施包括但不限于油田污水储罐、三相分离器等在“高压腐蚀+冲蚀”环境下使用的设施。

为了使本领域所属技术人员能够进一步的了解本发明实施例的方案，下面将基于本发明实施例所介绍的方案对其进行详细介绍。

实施例1

取SiC粉、WC粉、Ti粉过60目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为37％，丝材直径为2mm。外皮采用厚度为0.4mm的1系铝合金外皮，可保证外皮在拉伸后仍可保持足够的强度和韧性，以便于喷涂时送丝更加顺畅。

该Al合金带的合金组成如下：

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为45钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为160mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在45钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.8MPa、喷涂电压34V、喷涂电流120A、喷涂距离160mm，涂层厚度350μm。

实施例2

取SiC粉、WC粉、Ti粉过80目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为35％，丝材直径为2mm。

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为70°，喷砂距离为150mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在Q235钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.6MPa、喷涂电压36V、喷涂电流140A、喷涂距离150mm，涂层厚度300μm。

实施例3

取SiC粉、WC粉、Ti粉过70目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为33％，丝材直径为2mm。

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为A3钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.7MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为90°，喷砂距离为170mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在A3钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.7MPa、喷涂电压32V、喷涂电流110A、喷涂距离170mm，涂层厚度200μm。

实施例4

取SiC粉、WC粉、Ti粉过50目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为33％，丝材直径为2mm。

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为80°，喷砂距离为180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在Q235钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.8MPa、喷涂电压34V、喷涂电流120A、喷涂距离180mm，涂层厚度500μm。

实施例5

取SiC粉、WC粉、Ti粉过80目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为35％，丝材直径为2mm。

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.6MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为70°，喷砂距离为160mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在Q235钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.6MPa、喷涂电压32V、喷涂电流120A、喷涂距离160mm，涂层厚度400μm。

实施例6

取SiC粉、WC粉、Ti粉过60目筛后按比例混合均匀，采用规格为10mm×0.4mm(宽度×厚度)的1系Al合金带为带材，制得成品丝材，丝材的粉芯填充率为36％，丝材直径为2mm。

合金粉中各组分组成如下：

喷涂底材为Q235钢，喷砂预处理时，压缩空气必须清洁干燥，压力控制在0.8MPa，采用刚玉砂，喷砂角度为90°，喷砂距离为180mm，喷砂要求基体全部露出新鲜表面，喷砂后基体的表面粗糙度达到Sa2.5级，同时要求在表面处理完成四小时内完成丝材喷涂；

采用常规电弧喷涂设备在Q235钢基体表面喷涂Al-SiC-WC-Ti涂层，工艺参数为：压缩空气压力0.8MPa、喷涂电压36V、喷涂电流130A、喷涂距离180mm，涂层厚度450μm。

将本发明实施例喷涂得到的Al-SiC-WC-Ti涂层与纯Al涂层进行高压冲蚀对比分析。测试涂层表面积为100mm×50mm。首先将待测涂层在3.5％NaCl溶液中高压(5MPa)浸泡72h，然后在冲蚀试验机上对涂层进行失重测试，以考察涂层的耐高压冲蚀性能。冲蚀试验中，液体介质为3.5％NaCl溶液，含沙量为2％～3％，冲蚀角度为90°，冲蚀速度为10m/s，冲蚀时间为24h。涂层的腐蚀速率情况见表1：

表1涂层耐高压冲蚀性能测试结果

涂层	平均失重量/mg	腐蚀速率/(g/m<sup>2</sup>·h)
			实施例1	143.3	1.19
实施例2	136.6	1.14
			实施例3	148.8	1.24
实施例4	157.2	1.31
			实施例5	153.8	1.28
实施例6	166.7	1.39
			纯Al涂层	658.3	5.49

由表1看出，采用本发明实施例的粉芯丝材制备的高速电弧喷涂层与纯Al涂层相比，在“高压腐蚀+冲蚀”环境下腐蚀速率大大降低，能够提高油田储运钢结构设施的服役寿命。

图2显示了Al-SiC-WC-Ti涂层的宏观形貌，从宏观形貌来看，Al-SiC-WC-Ti涂层表面非常致密。图3显示了Al-SiC-WC-Ti涂层的微观形貌，从微观形貌来看，熔滴搭叠良好，没有明显的孔隙出现，表明在既定成分及工艺条件下，Al-SiC-WC-Ti涂层表观较好。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种粉芯丝材，由铝合金外皮和由合金粉形成的粉芯组成，其特征在于，所述合金粉包含SiC、WC和Ti；按照质量比，所述合金粉中各组分含量为：SiC：8％-46％，WC：14％-46％，Ti：8％-46％，所述SiC、WC和Ti的粒度均为178-297μm，所述合金粉中进一步包含Al粉，且粉芯填充率为33％-37％；

所述粉芯丝材直径为2mm。

2.使用如权利要求1所述的粉芯丝材制备高速电弧喷涂层的方法，其特征在于，包括：

对基体表面进行喷砂预处理；

对预处理后的基体表面喷涂所述粉芯丝材，形成Al-SiC-WC-Ti高速电弧喷涂层。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基体材质为碳钢或合金钢。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在进行所述喷砂预处理时，控制压力为0.6-0.8MPa，喷砂角度为70-90°，喷砂距离为150-180mm。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高速电弧喷涂的工艺参数为：压缩空气压力0.6-0.8MPa、喷涂电压32-36V、喷涂电流110-140A、喷涂距离150-180mm。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Al-SiC-WC-Ti高速电弧喷涂层的厚度为200-500μm。

7.一种油田储运设施，包括基体和喷涂在所述基体表面的涂层，其特征在于，所述涂层使用如权利要求1所述的粉芯丝材高速电弧喷涂制得。

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