CN111593285A

CN111593285A - 耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料及涂层制备方法和应用

Info

Publication number: CN111593285A
Application number: CN202010451934.2A
Authority: CN
Inventors: 张连华; 程江波; 王秀雨; 葛云云; 张保森; 陈习中; 陈刚; 陈柏金
Original assignee: Zhongke Juxin Clean Energy and Hot Forging Equipment Research and Development Co Ltd
Current assignee: Zhongke Juxin Clean Energy and Hot Forging Equipment Research and Development Co Ltd
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2020-08-28

Abstract

本发明公开了耐海洋腐蚀Al‑Ni‑Nb非晶涂层材料及涂层制备方法和应用，所述的材料由铝带外皮包覆合金粉芯制成，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8~16 at.%Ni、5~10 at.%Nb、余量Al；粉芯填充率为32~40%，粉芯丝材的直径为2mm。Al‑Ni‑Nb非晶涂层制备方法的步骤为：(a)工件前处理；(b)采用高速电弧喷涂技术制备非晶涂层。该涂层非晶含量≥80%，孔隙率＜2%，结合强度≥25MPa，平均维氏硬度≥350 Hv，且具有优异的抗海洋环境腐蚀与磨损性能。本发明可应用于海洋工程装备、船舶、海洋工程材料以及海上风电等关键装备部件在严酷海洋环境下表面磨损与腐蚀防护，能显著提高其服役寿命，具有广阔的应用前景。

Description

耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料及涂层制备方法和应用

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，耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料及涂层制备方法和应用。

背景技术

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，海洋装备和海洋工程长期服役于恶劣的海洋环境下，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，成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一，严重影响海洋工程和装备的可靠性和寿命，带来巨大的经济损失。先进的热喷涂技术是提高海洋工程装备关键部件性能的重要技术手段。传统热喷涂涂层材料逐渐不能满足先进海洋设备和机械的防护需求，其面临更新换代的局面。改进传统海洋防护材料，针对海洋环境设计高性能、耐腐蚀、环保、绿色的新型防护材料以及对其可应用性进行深度的探索己经迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于：为了克服现有技术的缺陷，针对传统的热喷涂金属涂层在严苛海洋环境下耐磨防腐协同效果差、结合强度低、使用寿命短等难题，本发明提供了耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料及涂层制备方法和应用，利用高速电弧喷涂技术可实现高性能Al-Ni-Nb非晶涂层的现场原位大面积制备，该技术简单易行，成本低，获得的非晶涂层具有防腐耐磨双重功效，有效地延长海洋工程装备关键零部件的服役寿命。

技术方案：耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，该材料由铝带外皮包覆合金粉芯制成，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8~16 at.% Ni、5~10 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为32~40%，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8 at.% Ni、10 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为34%，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：10 at.% Ni、5 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为32%，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：12 at.% Ni、6 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为36%，粉芯丝材的直径为2mm。

作为本发明的一种优选，所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：16 at.% Ni、8 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为40%，粉芯丝材的直径为2mm。

耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料的涂层制备方法，包括如下步骤：

(a)工件前处理：对工件表面进行喷砂处理，然后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗，烘干、备用；

(b)制备Al-Ni-Nb非晶涂层：将步骤（a）中处理好的工件固定在操作台夹具上；然后将Al-Ni-Nb粉芯丝材装入送丝机中，采用高速电弧喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流120-160A，喷涂电压30-36V，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.7MPa。

作为本发明的一种优选，涂层性能如下：所述的高速电弧喷涂制备的涂层性能如下：非晶含量≥80%，孔隙率＜2%，结合强度≥25MPa，平均维氏硬度≥350 Hv。

所述的高速电弧喷涂Al-Ni-Nb非晶涂层可应用于海洋工程装备、船舶、海洋工程材料以及海上风电等关键装备部件在严酷海洋环境下表面磨损与腐蚀防护。

本发明的原理在于：为了改善传统铝涂层易发生点蚀等失效现象，在铝基体中添加Ni元素来提升铝基体的电位和抗点蚀能力，从腐蚀动力学和热力学角度改善了铝涂层耐蚀性能。通过Nb元素的添加，阻碍了熔融喷涂粒子内部原子间的扩散行为，使得合金的粘度增大；另外合金组成中Al-Ni混合热焓为-22kJ/mol，Al-Nb的混合热焓为-18kJ/mol，而Ni-Nb的混合热焓为-30kJ/mol，随着Nb元素的添加进一步增大了合金的负混合热焓，促进了各组元之间的相互间结合，使得单个喷涂粒子内部原子形成无序的分布，这将进一步有利于非晶的形成。同时根据深共晶准则理论和Al-Ni-Nb三元合金相图，优化了合金深共晶成分，从而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实现大面积铝基非晶涂层现场原位施工制备；（2）本发明所述涂层的非晶含量≥80%，孔隙率＜2%，结合强度≥25MPa，平均维氏硬度≥350 Hv；（3）本发明所述涂层具有优异的耐海洋腐蚀与磨损性能，为海洋工程装备、船舶、海洋工程材料以及海上风电等关键装备部件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制备非晶涂层的显微硬度分布图；

图2为实施例2制备非晶涂层截面形貌图；

图3为实施例3制备非晶涂层X射线衍射图谱；

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：8 at.% Ni、10 at. % Nb、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34％。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1制备的非晶涂层截面硬度如图1所示。可以看出：涂层的硬度在350~450HV₁₀₀范围内，涂层的孔隙率为1.6%。涂层的结合强度为25.7MPa。

实施例2：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：10 at.% Ni、5 at. % Nb、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32％。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2制备的非晶涂层截面形貌如图2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1.2%。涂层的结合强度为28.6MPa。

实施例3：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：12 at.% Ni、6 at. % Nb、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36％。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3制备的铝基非晶涂层的X射线衍射图谱见图3。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82.4％（体积分数）。涂层的结合强度为29.6MPa。

实施例4：

按照粉芯丝材各元素原子百分比为：16 at.% Ni、8 at. % Nb、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36V，喷涂电流为120A，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83.7％（体积分数），涂层的平均显微硬度为416.6HV。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：-1.01V和3.1×10^-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，说明非晶涂层具有优异的抗腐蚀性能。

Claims

1.耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，该材料由铝带外皮包覆合金粉芯制成，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8~16 at.% Ni、5~10 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为32~40%，粉芯丝材的直径为2mm。

2.根据权利要求1所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：8 at.% Ni、10 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为34%，粉芯丝材的直径为2mm。

3.根据权利要求1所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：10 at.% Ni、5 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为32%，粉芯丝材的直径为2mm。

4.根据权利要求1所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：12 at.% Ni、6 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为36%，粉芯丝材的直径为2mm。

5.根据权利要求1所述的耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料，其特征在于，粉芯丝材成分原子百分比范围为：16 at.% Ni、8 at. % Nb、余量Al；粉芯填充率为40%，粉芯丝材的直径为2mm。

6.权利要求1-5任一所述耐海洋腐蚀Al-Ni-Nb非晶涂层材料的涂层制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

工件前处理：对工件表面进行喷砂处理，然后置于丙酮溶液中采用超声波进行清洗，烘干、备用；

制备Al-Ni-Nb非晶涂层：将步骤（a）中处理好的工件固定在操作台夹具上；然后将Al-Ni-Nb粉芯丝材装入送丝机中，采用高速电弧喷涂设备制备涂层，具体工艺参数为：喷涂电流120-160A，喷涂电压30-36V，喷涂距离200mm，压缩空气压力0.7MPa。

7.由权利要求6所述方法制备获得的Al-Ni-Nb非晶涂层。

8.根据权利要求7所述的Al-Ni-Nb非晶涂层，其特征在于，涂层性能如下：涂层非晶含量≥80%，孔隙率＜2%，结合强度≥25MPa，平均维氏硬度≥350 Hv。

9.权利要求8所述Al-Ni-Nb非晶涂层可应用于海洋工程装备、船舶、海洋工程材料以及海上风电等关键装备部件在严酷海洋环境下表面磨损与腐蚀防护。