CN108624784B - 一种环保自愈合风电设备的复合涂层以及喷涂方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种环保自愈合风电设备的复合涂层以及喷涂方法，涉及复合涂层技术领域，其包括：过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.1‑1.0%，B 0.5‑3.5%，Si 1.0‑4.5%，Cr 10.0‑17.0%，Fe 1.0‑3.0%，MoS2 8.0‑13.0%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 70‑90%，余量为Al。本发明润滑性好、摩擦系数低、具有自愈合的能力、孔隙率低、无VOC污染、耐磨性优良、涂层结合强度高。

Description

一种环保自愈合风电设备的复合涂层以及喷涂方法
技术领域
本发明涉及复合涂层技术领域，尤其涉及一种环保自愈合风电设备的复合涂层以及喷涂方法。
背景技术
风电机组面临的是大气腐蚀环境（划分C1非常低、C2低、C3中等、C4高、C5-1很高(工业）、C5-M很高（海洋）（6个等级）、水和土壤腐蚀环境（Im1淡水、Im2海水或盐水、Im3土壤）。这是目前风电机组金属表面防腐设计的主要依据。大气中磨损应力（磨蚀），可能因为风挟带的颗粒（例如砂粒）摩擦钢结构、叶片表而产生破坏，另外是水滴、冰雹、沙尘暴甚至飞鸟等较大物的撞击破坏。这在沙漠戈壁风电场塔架迎风面及底部、风电叶片表面、箱式落地变压器迎风侧面比较常见和明显，特别是叶片的叶尖速度在许多情况下超过70m/s，磨损会造成结构破坏、效率下降和损失。风电金属结构各组成部分和周围物质接触的微型环境是需要重点关注的一个决定性因素，比如塔架基础混凝土中的钢筋、箱式落地变压器底部等。一般情况下，风电塔架外部表面的环境条件为4级，内部表面的环境条件为3级。同时，防腐和减轻腐蚀的结构设计对防腐的实施、效果和可修理性具有重大影响。目前普遍使用的是有机涂层防护，如下表所示：
塔架平台等附件防护体系有选用热浸锌防腐方案（锌层厚度70-80μm），也有采用涂料防护体系的，按部位采用塔架内壁或外壁涂层体系。
基础环是塔架的组成部分，其制造和涂装在塔架厂完成，地上部分防腐同于塔架内外壁，混凝土封灌部分为永久性隐蔽，无法维修，因涂层体系的不同，涂层厚度要求450-800μm，可采用塔架内壁涂料体系并增加环氧煤沥青涂料或环氧玻璃鳞片涂料。
目前无论是国内还是国外，常用的风电设备防腐涂装系统均是以环氧类型和聚氨酯类型为主，是典型的钢结构重防腐涂料体系。
在沙漠戈壁地带，以上体系也出现耐风蚀性不足的缺陷，特别是在塔架近地面部分以及主迎风面，极端情况是涂层被彻底风蚀，露出金属表面而导致锈蚀和美观缺失。
同时，以上体系在生产过程中，大量使用了环氧类和聚酯类高分子有机材料，还会不可避免的使用各种含苯类的稀释剂，最终大量漆雾和有机溶剂的排放，对环境会造成严重的影响。因此虽然风电本身是清洁能源，但其设备生产过程中，特别是涂装过程中，对环境的破坏也是一个不容忽视的问题。所以急需一种耐腐蚀强、耐磨强、安全环保的涂层。
如申请号为CN201610151967.9的中国发明专利公开了一种铝合金构件表面耐磨减摩复合涂层及其制备方法，涂层由质量百分含量为：碳化钨粉末13%～15%，二硼化钛粉末18%～20%，氧化铈粉末2.0%～4.0%，镍包二硫化钼粉末3.0%～5.0%，镍基合金粉末余量的各组份通过粘结剂调和并激光熔覆于铝合金构件表面形成；其中的镍包二硫化钼粉末中，镍的包覆量为71％～73%；其中的镍基合金由元素C、Cr、Si、B、Fe和Ni组成，各元素质量百分含量为：C 0.75～0.85%，Cr 15～16%，Si 3.5～4.5%，B 3.0～4.0%，Fe 14.5～15.5%，Ni余量。此涂层的自愈合能力较低，且涂层与工件之间的过渡区域并没有提供特定的过渡层材料，所以过渡区域并不一定能缓解界面的应力导致工作层容易出现裂缝、空隙，由于自愈合能力较低，涂层的损坏将非常快。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种环保自愈合风电设备的复合涂层以及喷涂方法。
本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，提出一种环保自愈合风电设备的复合涂层，其包括：过渡层和工作层；所述工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.1-1.0%，B 0.5-3.5%，Si 1.0-4.5%，Cr 10.0-17.0%，Fe 1.0-3.0%，MoS2 8.0-13.0%，余量为Ni；所述过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 70-90%，余量为Al。
上述的过渡层的膨胀系数介于工件和上述的工作层之间，可以最大程度地起到粘结和缓解界面应力的作用。
作为优选，所述工作层的配方还包括陶瓷粉末，所述陶瓷粉末占所述工作层的配方的质量百分比为3.0-10.0%。添加陶瓷粉末，可以提高工作层的耐磨性能，减少工作层出现裂纹和空隙，延长工作层的寿命，陶瓷粉末在熔融状态下，能够更好地促进二硫化钼和镍铬金属相互融合，使得工作层的化学性质更加稳定、均匀。
根据 GB/T12444-2006进行试环-试块滑动磨损试验：
一． 试验原理
试块与规定转速的试环相接触，并承受一定实验力，经规定转数后，用磨痕宽度计算试块的体积磨损，用称重法测定试环的质量磨损，试验中连续测量试块上的摩擦力和正压力，计算摩擦系数。
二． 试验步骤
1.试验应在10℃—35℃范围内进行，对温度要求较严格的试验，应控制在23±5℃之内。
2.试验应在无腐蚀性气体、无振动、无粉尘的环境中进行。
3.将试环及试块牢固的安装在试验机主轴及夹具上，试块应处于试环中心，并应保证试块边缘与试环边缘平行。
4.启动试验机，使试环逐渐达到规定转速，平稳的将实验力施加至规定值
5.可以进行干摩擦，也可以加入适当润滑介质以保证试样在规定状态下正常试验，对于润滑磨损实验，试验前应对所有与润滑剂接触的零件进行清洗。
6.根据需要，在试验过程中记录摩擦力。
7.试验累计转数应根据材料及热处理工艺需要确定。
8.对于称重的试样，试验前后用适当的清洗液以相同的方法清洗试样，建议先用三氯乙烷，再用甲醇清洗；清洗后一般在60℃下进行2H烘干冷却至室温后，放入干燥器，立即称重。
三． 试验结果处理
1.在块形试样磨痕中部及两端（距试样边缘1mm处）测量磨痕宽度，取三次测量平均值作为一个试验数据。
2.标准尺寸试样三个位置的磨痕宽度之差大于平均宽度值20%，试验数据无效。
3.试验报告中至少包括：试验机型号、试验形式、材料种类、热处理种类、实验力（正压力）、试验转速及转数、润滑方式及润滑剂种类、试块的磨痕宽度和体积磨损、试环磨损失去的质量、摩擦系数、环境温度、试块加工方向。
作为优选，所述原料的粒径均在10-45μm。
作为优选，所述陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
本发明的另一个目的是提供一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取所述过渡层的配方，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；
S3.喷涂工作层：称取所述工作层的配方，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在所述过渡层外表面进行喷涂工作层。
在本涂层的制备中，二硫化钼在融化后的粒径呈1-5微米，与10-20微米的熔融镍铬金属粒径有良好的互补作用，从而让制备的涂层有极低的孔隙率，同时具备良好的耐磨损和耐腐蚀功能。
20世纪80年代，超音速火焰喷涂技术出现。时至今日，它已经被认为是极具市场活力且卓有成效的热喷涂方法，并在包括机械制造、能源化工、航空航天、水利电力、矿山冶金、交通运输、装备维修在内的诸多领域内得到了广泛的应用，产生了很好的经济效益、社会效益和军事效益。超音速火焰喷涂，又被称为高速氧燃料火焰喷涂（HVOF），是利用丙烷、丙烯等碳氢系燃气或航空煤油与酒精等液体材料与高压氧气（或氧气与压缩空气的混合气体）在特定的燃烧室中燃烧产生的高温高速焰流，同时粉末粒子经送粉喷嘴喷射到燃烧嘴受热软化被加速后，飞行到待喷涂表面形成涂层。粒子的飞行速度是HVOF的重要指标，其典型值为：焰流速度可达1500~2000m/s，粒子飞行速度可达300~650m/s。
JP-8000 HP/HVOF 系统是浙江天泉表面技术有限公司创始人崔琛焕博士在美国波士顿大学就读和研究时和美国普莱克斯公司联合开发的超音速喷涂系统，该系统是目前业界最先进超音速喷涂系统，作为JP-5000 系统的下一代版本，它具有控制先进、生产能力高、涂层质量卓越的特点。JP8000引入了一系列新特征与性能改进，包括基于复杂PLC、闭环控制的8100型CORONA 气体/燃料管理系统，可以更精确的控制火焰特性，提高涂层质量、涂层可重复性以及设备正常运行时间。
JP-8000采用了燃料、气体和电气部件分离，采用高/低流量控制和压力开关，其直观的图像用户界面(GUI)触摸屏，方便了参数设定和监控，确保持续获得稳定的涂层质量。JP-8000高粒子速度的所获得的突出优点就是涂层致密度高和氧化物含量低。致密度由颗粒紧密均匀堆积获得，氧化物含量低由粒子温度低和在火焰中停留时间短获得。该系统特别适用于需要耐磨的高硬度涂层，和耐腐蚀的清洁、致密涂层的应用场合。
由于能对氧气和燃料流量进行精确控制，JP-8000可以获得高质量、可重现的涂层。氧气流量由质量流量计(MFM)控制和气体比例阀回路控制，燃料流量由油泵的透平轮和变速马达控制。两回路都是闭环控制，提供对喷涂过程独一无二的控制，最终获得满足常用或者极端条件应用需求的涂层
作为优选，所述过渡层的厚度为0.10-0.15mm。
作为优选，所述工作层的厚度为0.30-0.50mm。
作为优选，S1中，所述喷砂的技术等级为Sa3.0。
本发明具有如下有益效果：
1.二硫化钼作为涂层成分可以起到润滑的作用，由于二硫化钼的摩擦系数低，产生的摩擦阻力小，具有防潮、防水、防碱，防酸等特性。同时在正常工况的涂层磨损中，二硫化钼涂层能够自动填塞磨损造成的裂纹和孔隙，具有一定的自愈合作用，从而达到更长的使用寿命。
2.二硫化钼在融化后的粒径呈1-5微米之间，与10-20微米的熔融镍铬金属粒径有良好的互补作用，从而让制备的涂层有极低的孔隙率，同时具备良好的耐磨损和耐腐蚀功能。
3.过渡层的热膨胀系数介于基体和工作涂层之间，可以最大程度的起到粘结和缓解界面应力的作用。
4.采用HVOF超音速火焰喷涂设备喷涂过渡层和工作层，其最大特点是可以提供极高的颗粒飞行速度，因此可制备出高硬度、耐磨性优良的涂层，同时该工艺也非常适用于腐蚀控制，其主要归因是HVOF喷涂的涂层密度高以及氧化物量级小。
5.过渡层和工作层均不会产生VOC污染。
附图说明
图1为本发明实施例1根据GB/T12444-2006标准试验流程得到的磨损实验图；
图2为普通Q234钢根据GB/T12444-2006标准试验流程得到的磨损实验图。
图3-4为风能新型耐腐蚀涂层试块的盐雾试验检测报告。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.1%，B 3.5%，Si 1.0%，Cr 17.0%，Fe 1.0%，MoS2 13.0%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 70%，余量为Al。
原料的粒径均在10-45μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并进行充分混合，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并进行充分混合，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
过渡层的厚度为0.10mm。
工作层的厚度为0.30mm。
如图1和2所示，根据GB/T12444-2006在相同条件下对本实施例和普通Q234钢进行试验，可以清楚看到本实施例的磨损程度远低于普通Q234钢。
本实施例的盐雾试验检测报告见图3和图4。
实施例2：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 1.0%，B 0.5%，Si 4.5%，Cr 10.0%，Fe 3.0%，MoS2 8.0%，陶瓷粉末 3%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 90%，余量为Al。
原料的粒径均在10-45μm。
陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
过渡层的厚度为0.15mm。
工作层的厚度为0.50mm。
S1中，喷砂的技术等级为Sa3.0。
根据GB/T12444-2006在相同条件下对本实施例和普通Q234钢进行试验，可以得到本实施例的磨损程度远低于普通Q234钢。
实施例3：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.6%，B 2.0%，Si 2.8%，Cr 13.5%，Fe 2.0%，MoS2 10.5%，陶瓷粉末 10%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 80%，余量为Al。
原料的粒径均在10-45μm。
陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。本实用新型选用JP-8000 HP/HVOF系统进行喷涂。
过渡层的厚度为0.12mm。
工作层的厚度为0.40mm。
S1中，喷砂的技术等级为Sa3.0。
根据GB/T12444-2006在相同条件下对本实施例和普通Q234钢进行试验，可以得到本实施例的磨损程度远低于普通Q234钢。
对比例1：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.1%，B 3.5%，Si 1.0%，Cr 17.0%，Fe 1.0%，MoS2 5.0%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 70%，余量为Al。
原料的粒径均在10-45μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并进行充分混合，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并进行充分混合，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。
过渡层的厚度为0.10mm。
工作层的厚度为0.30mm。
对比例2：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 1.0%，B 0.5%，Si 4.5%，Cr 10.0%，Fe 3.0%，MoS2 8.0%，陶瓷粉末 3%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 40%，余量为Al。
原料的粒径均在10-45μm。
陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。
过渡层的厚度为0.15mm。
工作层的厚度为0.50mm。
S1中，喷砂的技术等级为Sa3.0。
对比例3：
一种环保自愈合风电设备的复合涂层，包括过渡层和工作层；工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.6%，B 2.0%，Si 2.8%，Cr 13.5%，Fe 2.0%，MoS2 10.5%，陶瓷粉末 10%，余量为Ni；过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 80%，余量为Mg。
原料的粒径均在10-45μm。
陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取过渡层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；
S3.喷涂工作层：称取工作层的配方并充分混匀，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在过渡层外表面进行喷涂工作层。
过渡层的厚度为0.12mm。
工作层的厚度为0.40mm。
S1中，喷砂的技术等级为Sa3.0。
下表为实施例1-3和对比例1-3的得到的涂层，进行性能比对：
由上表可以看出，实施例1-3得到的涂层的孔隙率低，盐雾腐蚀试验均超过3000h，涂层结合强度高，摩擦系数低，耐磨损。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种环保自愈合风电设备的复合涂层，其特征在于：包括过渡层和工作层；所述工作层的配方包括以下质量百分比的原料：C 0.1-1.0%，B 0.5-3.5%，Si 1.0-4.5%，Cr 10.0-17.0%，Fe 1.0-3.0%，MoS2 8.0-13.0%，余量为Ni，所述工作层的配方还包括陶瓷粉末，所述陶瓷粉末占所述工作层的配方的质量百分比为3.0-10.0%，所述过渡层的配方包括以下质量百分比的原料：Ni 70-90%，余量为Al；所述过渡层和工作层均采用HVOF超音速火焰喷涂设备进行喷涂。
2.根据权利要求1所述的一种环保自愈合风电设备的复合涂层，其特征在于：所述原料的粒径均在10-45μm。
3.根据权利要求1所述的一种环保自愈合风电设备的复合涂层，其特征在于：所述陶瓷粉末的粒径在15-40μm。
4.如权利要求1所述一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，其特征在于，包括如下喷涂步骤：
S1.工件的预处理：采用干燥无油棱角铁砂进行喷砂处理；
S2.喷涂过渡层：称取所述过渡层的配方，使用HVOF超音速火焰喷涂设备对工件表面进行喷涂过渡层；
S3.喷涂工作层：称取所述工作层的配方，使用HVOF超音速火焰喷涂设备在所述过渡层外表面进行喷涂工作层。
5.根据权利要求4所述的一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，其特征在于：所述过渡层的厚度为0.10-0.15mm。
6.根据权利要求4所述的一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，其特征在于：所述工作层的厚度为0.30-0.50mm。
7.根据权利要求4所述的一种环保自愈合风电设备的复合涂层的喷涂方法，其特征在于：S1中，所述喷砂的技术等级为Sa3.0。
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