CN110819928A

CN110819928A - 用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材

Info

Publication number: CN110819928A
Application number: CN201911057687.1A
Authority: CN
Inventors: 程江波; 葛云云; 张显程; 张保森; 梁秀兵
Original assignee: East China University of Science and Technology; Hohai University HHU
Current assignee: East China University of Science and Technology; Hohai University HHU
Priority date: 2019-11-01
Filing date: 2019-11-01
Publication date: 2020-02-21

Abstract

本发明公开了用于制备耐海洋环境腐蚀Al‑Mo‑Ni非晶涂层的粉芯丝材，所述的粉芯丝材由铝带外皮包覆粉芯制成，粉芯丝材成分原子百分比范围为：5～15at.％Mo、10～20at.％Ni、余量Al；粉芯填充率为38～42％，粉芯丝材的直径为2mm。本发明所提供的粉芯丝材具有强的非晶形成能力，采用高速电弧喷涂技术在钢基体上形成高品质的铝基非晶涂层。该涂层结构致密、非晶含量≥85％，孔隙率＜1％，涂层的硬度在350～500HV100范围内，且具有优异的抗海洋腐蚀与磨损性能；本发明能显著提高海工装备在严苛海洋中的使役寿命，具有广阔的应用前景。

Description

用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材

技术领域

本发明属于材料表面工程领域，涉及海洋工程装备关键零部件表面腐蚀与磨损防护的铝基非晶涂层，具体为用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材。

背景技术

海洋是人类可持续发展的重要战略空间，是当今世界各国赢得竞争优势的战略制高点。发展海洋经济离不开海洋工程装备的大规模应用，海洋工程装备是发展海洋经济的基石，是推进和实施国家海洋战略的重要内容。然而，海洋装备长期服役于严酷的海洋环境下，无法回避的是海洋工程材料的腐蚀损伤、磨蚀失效和生物污损，带来巨大的经济损失。据中国工程院重大咨询项目“中国腐蚀状况及控制战略研究”最新统计，2014年我国总的腐蚀损失为 21278.2亿，占当年我国国民生产总值的3.34％，相当于每位公民承担的1555元的腐蚀成本。海洋腐蚀行为不仅造成各种海洋工程基础设施和设备的损坏和功能丧失，缩短其使用寿命，造成资源、材料和能源的巨大浪费；而且还会导致突发性的灾难事故，引发油气泄露，污染海洋环境，甚至造成人身伤亡。因此，大力发展海洋工程腐蚀与防控技术，对于保障海洋工程装备的服役安全与可靠性，降低重大灾害性事故的发生，发展我国海洋经济、建设海洋强国具有重要的意义。先进热喷涂技术是延长海洋工程装备关键部件服役寿命与可靠性的有效方法。然而，海洋环境涉及气象、流体、物理、化学以及生物等多领域复杂因素，随着海洋工程装备产业发展的逐步深入，传统热喷涂防护材料(如铝、锌、锌铝合金、锌铝镁(稀土) 合金、金属陶瓷以及陶瓷涂层等)已逐渐不能满足严苛海洋环境下先进装备防护的使役需求。因此，针对严苛海洋环境研发高性能、长寿命、绿色无害化、经济化的防护新材料及其可应用性的探索已迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术的缺陷，针对严苛海洋环境下海工装备关键部件的腐蚀与磨损失效难题，本发明提供了用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，该粉芯丝材制备简单易行，成本较低，而且制备的非晶涂层防腐耐磨效果显著，有效地延长海洋工程装备关键零部件的服役寿命。

本发明实现上述目的的技术方案是：

用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，由铝带外皮包覆粉芯制成，粉芯丝材成分原子百分比范围为：5～15at.％Mo、10～20at.％Ni、余量Al；粉芯填充率为38～42％，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，粉芯丝材成分原子百分比为：5at.％Mo、10at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为38％，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，粉芯丝材成分原子百分比为：8at.％Mo、20at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为40％，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，粉芯丝材成分原子百分比为：12at.％Mo、18at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为42％，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，粉芯丝材成分原子百分比为：15at.％Mo、13at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为40％，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，采用所述粉芯丝材制备出的非晶涂层，非晶含量≥85％，孔隙率＜1％，涂层的硬度在350～500HV100范围内。涂层具有优异的抗海洋环境腐蚀与磨损性能。

本发明所述粉芯丝材设计思路在于：为了改善纯铝涂层在严苛海洋环境下易发生点蚀等局部腐蚀失效行为，添加Ni和Mo元素一方面可提升涂层的电位，另一方面钼具有抗氯离子点蚀能力，镍进一步增强抗点蚀能力，因此镍、钼增加了涂层对氯离子的局部腐蚀能力和对降低环境的抗腐蚀能力。根据深共晶准则理论，通常认为在相图上具有深共晶的合金成分较容易形成非晶。热力学上深共晶成分合金液态的稳定性较好；而动力学上在共晶点形成的两个晶态相具有不同的溶质浓度，需要溶质原子的长程扩散，而在快速冷却条件下，溶质原子的长程扩散由于没有足够的时间进行很容易就被抑制。同时，Al-Mo的混合热焓为-10kJ/mol，而Al-Ni混合热焓为-22kJ/mol，随着Ni元素的添加进一步增大了其负混合热焓，使得合金的粘度增大，这将进一步促进了非晶形成。因此，根据Al-Mo-Ni三元合金相图上各元素深共晶成分并进行优化，设计了不同元素配比的粉芯丝材。

有益效果：(1)本发明通过合理设计粉芯各组分的含量，采用高速电弧喷涂技术可在钢基体上形成铝基非晶涂层；(2)本发明所述涂层的非晶含量≥85％，孔隙率＜1％，涂层维氏硬度Hv₁₀₀＝350～500；(3)本发明所述涂层具有优异的耐海洋腐蚀与磨损性能，为海工装备在严苛海洋环境中表面腐蚀和防护问题的解决提供了一种行之有效的措施，应用前景广阔。

附图说明

图1为实施例1制备非晶涂层的截面形貌图；

图2为实施例2制备非晶涂层的X射线衍射图谱；

图3为实施例3制备非晶涂层显微硬度分布图；

图4为实施例4制备非晶涂层在氯化钠溶液中极化曲线图。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：5at.％Mo、10at.％Ni、余量Al，称重配料。利用机械方法将所取的粉末充分混合均匀，然后放入干燥箱中烘干。选用1100半硬铝带作为外皮，将其扎成U形，开口向上，然后将混合好的粉末均匀加入U形铝带槽中，然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm，粉芯的质量填充率为38％。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。利用高速电弧喷涂技术制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为34V，喷涂电流为120A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例1制备的非晶涂层截面形貌如图1所示。可以看出：涂层结构致密，只有少量的黑色孔隙存在于涂层之中，经分析涂层的孔隙率为0.9％。

实施例2：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：8at.％Mo、20at.％Ni、余量Al，称重配料。利用机械方法将所取的粉末充分混合均匀，然后放入干燥箱中烘干。选用1100半硬铝带作为外皮，将其扎成U形，开口向上，然后将混合好的粉末均匀加入U形铝带槽中，然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm，粉芯的质量填充率为40％。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。利用高速电弧喷涂技术制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为32V，喷涂电流为130A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例2制备的铝基非晶涂层的X射线衍射图谱见图1。可以看出，在2θ＝45°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的XRD图谱，说明在涂层在沉积过程中形成了非晶结构。通过计算得到涂层中非晶含量为88.3％(体积分数)。

实施例3：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：12at.％Mo、18at.％Ni、余量Al，称重配料。利用机械方法将所取的粉末充分混合均匀，然后放入干燥箱中烘干。选用1100半硬铝带作为外皮，将其扎成U形，开口向上，然后将混合好的粉末均匀加入U形铝带槽中，然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm，粉芯的质量填充率为42％。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。利用高速电弧喷涂技术制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为35V，喷涂电流为150A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例3制备的非晶涂层截面硬度如图3所示。可以看出：涂层的硬度在350～500HV₁₀₀范围内，涂层的孔隙率为0.83％。

实施例4：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：15at.％Mo、13at.％Ni、余量Al，称重配料。利用机械方法将所取的粉末充分混合均匀，然后放入干燥箱中烘干。选用1100半硬铝带作为外皮，将其扎成U形，开口向上，然后将混合好的粉末均匀加入U形铝带槽中，然后将U形槽合口，使粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至Φ2mm，粉芯的质量填充率为40％。将成品丝材绕制成出厂所需的盘状，经计量和包装后形成可以出厂的产品。利用高速电弧喷涂技术制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为34V，喷涂电流为150A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7MPa。

实施例4制备的非晶涂层的非晶含量为86.7％(体积分数)，涂层的平均显微硬度为 436.6HV。对实施例4制备的铝基非晶涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中浸泡1天后进行了电化学腐蚀试验，如图4所示。可以看出，非晶涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为：-0.95V和2.9×10^-6A/cm²；纯铝涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为：-1.136V和12.4×10^-6A/cm²；可以看出，相同条件下铝基非晶涂层的自腐蚀电流明显低于纯铝涂层，同时其自腐蚀电位要高于纯铝涂层，说明Al-Mo-Ni非晶涂层具有优异的抗腐蚀性能。

Claims

1.用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，由铝带外皮包覆粉芯制成，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：5～15at.％Mo、10～20at.％Ni、余量Al；粉芯填充率为38～42％，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：5at.％Mo、10at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为38％，粉芯丝材的直径为2mm。

3.根据权利要求1所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8at.％Mo、20at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为40％，粉芯丝材的直径为2mm。

4.根据权利要求1所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：12at.％Mo、18at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为42％，粉芯丝材的直径为2mm。

5.根据权利要求1所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：15at.％Mo、13at.％Ni、余量Al；粉芯丝材填充率为40％，粉芯丝材的直径为2mm。

6.根据权利要求1～5任一所述的用于制备耐海洋环境腐蚀Al-Mo-Ni非晶涂层的粉芯丝材，其特征在于，采用所述粉芯丝材制备出的非晶涂层，非晶含量≥85％，孔隙率＜1％，涂层的硬度在350～500HV100范围内。