CN109136906B - 钻井平台推进器表面涂层制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钻井平台推进器表面涂层的制备方法，其包括以下步骤：1）将给定配比的锌粉末和铝粉末混合均匀，锌粉末和铝粉末的粒度为10μm~50μm；2）对清洁后的推进器表面进行喷砂处理；3）采用冷喷涂工艺将混合粉末喷涂在推进器的表面；4）采用激光重熔工艺对涂层表面进行改性，在进行改性时在保护性气氛下进行；5）采用激光打孔工艺对改性后的涂层进行打孔，形成表面微孔层，孔径为30~50μm，孔深小于等于四分之三涂层厚度，且大于等于0.3倍的涂层厚度；6）将抑菌防污的生物酶填充到微孔层的微孔中，依据本发明的制备方法所制备涂层不但具有长效防腐，而且自体无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种钻井平台推进器表面涂层的制备方法。
背景技术
由于工作环境恶劣，钻井平台推进器不仅面临着高速运行所产生的空泡腐蚀，还会受到海水腐蚀和海生物污损，由此导致推进器的使用寿命严重下降。此外，钻井平台推进器如果被污损，其动力性能会严重下降，而增加能耗。
中国专利文献CN103088345A公开了一种采用脉冲电流法进行螺旋桨防污的方法，正常状态下螺旋桨作为阴极，辅助阳极为阳极，在其防污模式下，将螺旋桨转换成阳极，辅助阳极转换成阴极，进行反相电流通电，然后再转换成正常状态，正常状态与防污模式间进行周期性的切换。在反向通电的过程中，铜合金的螺旋桨作为阳极能够产生亚铜离子，能够对海洋生物具有抑制、杀灭作用。然而，亚铜离子属于一种污染物，对水体的污染是长期的，目前已经有许多国家禁止在水体中使用亚铜离子或者铜离子进行防污或者杀菌。尤其是释放亚铜离子的部分是螺旋桨本身，换言之，其本身就以电化学腐蚀螺旋桨为代价，得不偿失。
中国专利文献CN107140164A公开了一种船舶螺旋桨推进器即时清污装置，相当于机械清污装置，其通过一个导筒在螺旋桨的转轴上安装一个刀盘，刀盘上安装刀片，导筒可以在转轴的轴向被推拉，从而在靠近螺旋桨的桨叶时可以驱动刀盘转动来清污。然而，其要求导筒与转轴配合形成转动结构，并且为了保证刀片与螺旋桨的吻合，或者说平行，转轴与导套间需要保持比较高的同轴度，两者之间的间隙应当非常小。而在螺旋桨使用过程中，转轴相对于桨叶具有相同的角速度，相对而言，转轴表面的线速度非常小，更容易附着污物，在实际使用中，受转轴上被污物附着，导筒可能根本无法在转轴上被推动。此外，如果螺旋桨为螺旋桨叶，根本没有刀具能够与螺旋桨表面吻合。
针对螺旋桨的防污，目前应用较多的是在螺旋桨的表面制备防污涂层的方法，由于使用环境非常恶劣，因此，涂层的使用寿命始终是一个非常关键的指标，主要表现在因附着力差而引起的表皮翘起、脱落，整体表现在涂层与螺旋桨表面的结合力或者粘附强度不足。
目前，将防污涂层附着在螺旋桨表面的方法是通过例如热喷涂工艺，直接将防污涂料喷涂在螺旋桨表面，热喷涂相对于其他附着工艺，所制备的涂层与基体间的结合效果相对较好。具体地，如中国专利文献CN102336256A，其公开了一种防止船舶螺旋桨腐蚀和海生物污损的方法，其首先在铜合金螺旋桨表面去除氧化皮获得均匀粗糙的表面，然后在表面上采用热喷涂方法喷涂金属粘接涂层，进而再在粘结涂层表面采用热喷涂的方法制备金属氧化物陶瓷绝缘涂层，进而再使用热喷涂方法制备金属防污涂层。表面粗糙，利于形成类似于榫接的结构，结合强度高。但多层结构却不利于整个涂层的附着性，可以理解的是，层数越多，其整体的结合力度就会越弱，使用寿命会受到很大的影响。
目前对于防污涂层的制备，普遍采用热喷涂技术，热喷涂在没有保护的条件下，非常容易造成例如金属防污涂层自身的氧化。例如铜，属于极为容易被氧化的金属。对于大多数金属，在颗粒度比较小，并且自体温度比较高的条件下都容易被氧化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种所制备涂层不但具有长效防腐，而且自体无污染的钻井平台推进器表面涂层制备方法。
依据本发明的实施例，提供一种钻井平台推进器表面涂层的制备方法，其包括以下步骤：
1）将给定配比的锌粉末和铝粉末混合均匀，锌粉末和铝粉末的粒度为10μm~50μm；
2）对清洁后的推进器表面进行喷砂处理；
3）采用冷喷涂工艺将混合粉末喷涂在推进器的表面；
4）采用激光重熔工艺对涂层表面进行改性，在进行改性时在保护性气氛下进行；
5）采用激光打孔工艺对改性后的涂层进行打孔，形成表面微孔层，孔径为30~50μm，孔深小于等于四分之三涂层厚度，且大于等于0.3倍的涂层厚度；
6）将抑菌防污的生物酶填充到微孔层的微孔中。
铝粉末在混合粉末中的质量百分比为15%。
上述制备方法，可选地，步骤2）喷砂处理所使用砂的粒度为20目。
可选地，冷喷涂的工艺参数为：以压缩空气为送粉气，送粉气压为2MPa，气体温度为300℃；喷嘴与推进器表面的距离为20mm；喷涂厚度400μm。
可选地，步骤4）所使用激光为IPG激光器，保护性气氛所采用保护气为CO2，激光功率2. 5kW，扫描速度 200 mm /min， 光斑直径4 mm，搭接量1 mm。
可选地，采用YAG激光器进行涂层打孔，工作参数为：激光单脉冲能量2μJ，脉冲个数3，脉冲宽度0.7ms，重复频率40HZ，离焦量+1mm。
可选地，采用电泳沉积法将生物水解酶沉积到微孔中。
可选地，电容沉积时，推进器作为阳极，电流密度为5mA/cm2。
依据本发明的实施例，采用冷喷涂的方式，相对于热喷涂，其工作温度比较低，不会出现金属颗粒的大范围氧化，能够保证涂层的质量。冷喷涂相对于热喷涂的附着力较小，为此，进一步在保护性气氛下对冷喷涂所形成的涂层改性，使金属质的涂层发生部分熔化，即基于重熔工艺，相当于工作温度与热喷涂相似，使涂层比热喷涂所产生涂层的结合力更强，并且重熔在保护性气氛下进行，不会产生涂层的氧化。进而在改性后的涂层上打孔，将抑菌防污的生物酶填充到微孔中，通过生物酶进行抑菌防污，而不是金属涂层本身。此外，锌铝尽管都属于活泼金属，但其离子并不是污染物，不会产生污染。
附图说明
图1为依据本发明钻井平台推进器表面防护涂层发制备方法所制备涂层结构示意图。
图中：1.微孔，2.生物酶，3.Zn-15Al涂层，4.推进器基体。
具体实施方式
热喷涂技术（主要包含三种类型，即超速火焰喷涂，等离子喷涂和爆炸喷涂）是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半融化状态，并以给定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法。受工艺条件的限制，热喷涂不可能或者很难在保护性气氛条件下进行喷涂，涂层中的金属颗粒比较容易被氧化。
冷喷涂是一种金属、陶瓷喷涂工艺，它不同于热喷涂，冷喷涂不需要将喷涂的金属粒子熔化，所以喷涂基体表面瞬间产生的温度通常不会超过150℃（送粉气温度高于喷涂基体表面的温度）。
相对而言，冷喷涂所产生涂层比热喷涂所产生涂层与基体的结合力强，为此，为满足涂层与基体间有比较强的结合力，除了冷喷涂本身的工艺参数外，在本发明的实施例中还采用了其它的手段，以提高涂层与基体的结合力。
此外，钻井平台推进器与船用推进器相比，会有更加恶劣的工作环境，在于钻井平台在特定的时间段，会长期固定在某个位置，相对静止的钻井平台推进器更容易为海洋生物胶体所附着。
参见说明说附图1，系基于本发明实施例的钻井平台推进器表面防护涂层的制备方法所制备涂层结构示意图。由图可见，以推进器本身为基体，在其表面制备Zn-15Al涂层3，然后再涂层3上制备微孔1，再在微孔1内填充生物酶2。
关于生物酶2，几丁质酶、葡萄糖酶、微生物环氧水解酶、固定化脂肪酶等，直接商购，在本发明的实施例中，只需考虑如何在微孔1中填充即可。
相比于涂层本身靠自身损耗来抑菌防污，生物酶2的填充可以是再添加的。
对于推进器基体4，出厂的推进器基体4通常表面有氧化皮，在进行冷喷涂前，需要先对推进器基体4进行处理，可以使用抛丸工艺，去除表面氧化皮，然后再用例如砂纸打磨推进器基体4的表面，使用去离子水清洗后自然干燥。
进而在推进器基体4表面进行喷砂粗化处理，粗化后的表面易于产生比较大的比表面积，提高涂层与推进器基体4的结合能力。
图1中所示的涂层是Zn-15Al涂层3，属于伪合金涂层，伪合金（Pseudo Alloy），又称假合金，在伪合金中，两种或者两种以上的金属各自独立、均匀的相存在，不形成合金相，塑性相对于单质金属要好。
锌的熔点为419.53℃，铝的熔点为660℃，在本发明的实施例中，冷喷涂形成Zn-15Al涂层3后，使用激光进行改性时，熔点比较低的锌先熔化，梯次的熔化和凝固，不仅利于形成更强的与推进器基体4的结合力，而且涂层自身更加致密、稳定。
在Zn-15Al改性后，使用激光器在经过改性后的涂层表面制备微孔1，最后将具有催化水解生物附着胶及生物膜的生物酶2通过电泳沉积填充到微孔1中，使其在具有防污特性的同时减缓释放速度，能够长效的防护推进器基体。
关于Zn-15Al的制备，首先基于雾化造粒工艺制备锌粉和铝粉，所制备锌粉和铝粉的粒径控制在10μm-50μm，即获得较为微细的锌铝单质颗粒。
然后将制备好的锌铝粉末进行机械搅拌，使其均匀混合，形成Zn-15Al伪合金粉末，备用。
对于推进器基体4的粗化，采用20目的铜矿砂使用喷丸工艺进行推进器基体4表面粗化处理。
将制备好的的Zn-15Al伪合金粉末使用冷喷涂工艺在推进器基体表面制备涂层。冷喷涂主气为压缩空气，送粉压力或者说压缩气体的气压为2MPa，气体温度为300℃；喷嘴距离为20mm；喷涂厚度400μm。
使用IPG激光器对Zn-15Al涂层3进行改性处理。IPG激光器保护气体为 CO2，激光功率2. 5kW，扫描速度 200 mm /min， 光斑直径4 mm，搭接量1 mm。
进而采用YAG激光器在经过改性的Zn-15Al涂层3表面进行微孔加工。YAG激光器单脉冲能量2μJ,脉冲个数3，脉冲宽度0.7ms，重复频率为40HZ，离焦量+1mm。
接下来将生物酶填充到Zn-15Al涂层表面的微孔1中。首先制备含有20%生物酶的磷酸盐缓冲盐水溶液，溶液的PH值为7.2；然后将基体浸泡到溶液中作为阳极，电流密度为5mA/cm2，通电3分钟；最后在戊二醛试剂中浸泡半小时，使生物酶分子交联。
Claims (8)
1.一种钻井平台推进器表面涂层的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
1）将给定配比的锌粉末和铝粉末混合均匀，锌粉末和铝粉末的粒度为10μm ~50μm；
2）对清洁后的推进器表面进行喷砂处理；
3）采用冷喷涂工艺将混合粉末喷涂在推进器的表面；
4）采用激光重熔工艺对涂层表面进行改性，在进行改性时在保护性气氛下进行；
5）采用激光打孔工艺对改性后的涂层进行打孔，形成表面微孔层，孔径为30~50μm，孔深小于等于四分之三涂层厚度，且大于等于0.3倍的涂层厚度；
6）将抑菌防污的生物酶填充到微孔层的微孔中。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，铝粉末在混合粉末中的质量百分比为15%。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2）喷砂处理所使用砂的粒度为20目。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，冷喷涂的工艺参数为：以压缩空气为送粉气，送粉气压为2MPa，气体温度为300℃；喷嘴与推进器表面的距离为20mm；喷涂厚度400μm。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4）所使用激光为IPG激光器，保护性气氛所采用保护气为CO2，激光功率2. 5kW，扫描速度 200 mm /min， 光斑直径4 mm，搭接量1 mm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用YAG激光器进行涂层打孔，工作参数为：激光单脉冲能量2μJ，脉冲个数3，脉冲宽度0.7ms，重复频率40HZ，离焦量+1mm。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，采用电泳沉积法将生物水解酶沉积到微孔中。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，电容沉积时，推进器作为阳极，电流密度为5mA/cm2。
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