CN112609148A - 一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu-AT13涂层 - Google Patents

一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu-AT13涂层 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新型输电铁塔用材Ni‑Cu‑AT13涂层的制备方法包括：将Ni粉与Cu粉按照摩尔比为1：1～3的比例，使用湿磨法在球磨机内混合均匀；采用等离子喷涂技术在铁塔基体表面喷涂上述所得的物料，即得到Ni‑Cu合金涂层，然后采用等离子喷涂技术在Ni‑Cu合金涂层表面喷涂AT13陶瓷粉末涂层，其方法操作简单，可靠性强；由上述方法制备得到的Ni‑Cu‑AT13涂层，该涂层具有优异的耐蚀耐磨耐污损性能。

Description

一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu- AT13涂层
技术领域
本发明涉及金属陶瓷技术领域，具体而言，涉及一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu-AT13涂层。
背景技术
我国输电线路铁塔用材主要以Q235和Q345热轧角钢为主。这些钢材常面对高温高湿及工业污染的环境，易发生腐蚀及青苔生长等生物无损问题，进而导致钢材的性能与寿命受到严重影响。因此，寻求耐腐蚀、耐污损的涂层来增强铁塔钢材的耐蚀耐污损性能是一种强有力的解决方案。
基于此，材料工作者开始把注意力从整体强化转向材料表面强化，通过在铁塔表面上热喷涂一层具有高耐磨性、耐蚀性、抗高温氧化的材料，使产品寿命得到大幅度提高。然而现有技术在铁塔表面喷涂材料时一方面喷涂工艺较为繁琐复杂，另一方面随着时间的推移，喷涂材料自身的抗腐蚀性能难以控制，不能对铁塔基体表现较好的抗腐蚀耐磨性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu-AT13涂层，其方法操作简单，可靠性强，且涂层具有优异的耐蚀耐磨耐污损性能。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1).将Ni粉与Cu粉按照摩尔比为1：1～3的比例，使用湿磨法在球磨机内混合均匀；
(2).采用等离子喷涂技术在铁塔基体表面喷涂步骤(1)所得的物料：其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min，即得到Ni-Cu合金涂层；
(3).喷涂AT13陶瓷粉末涂层：采用等离子喷涂技术在步骤(1)所得的Ni-Cu合金涂层表面喷涂AT13陶瓷粉末涂层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为1.0-2.0％；其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
一种由上述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法制备得到的Ni-Cu-AT13涂层。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1.本发明充分利用AT13涂层的高硬度、耐磨耐蚀性能及控制AT13孔隙率，进而控制铜的析出腐蚀速率，并结合Ni-Cu合金涂层的高强度、粘结性能及Cu元素腐蚀产物氧化亚铜的杀菌性能，从而具有更加优异的耐蚀耐磨耐污损的Ni-Cu/AT13复合涂层。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例3中的Ni-Cu/AT13涂层的XRD衍射图谱；
图2中a为本发明实施例3所得的Ni-Cu/AT13涂层放大100倍的SEM图；b为Ni-Cu/AT13涂层放大400倍的SEM图；
图3为ImageJ软件测量的三种不同孔隙率Ni-Cu/AT13涂层；
图4为本发明中的Q235钢基体、实施例1～5与对比例1所得的涂层在3.5％NaCl溶液中的极化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法及Ni-Cu-AT13涂层进行具体说明。
一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，包括如下步骤：
(1).将Ni粉与Cu粉按照摩尔比为1：1～3的比例，使用湿磨法在球磨机内混合均匀；
(2).采用等离子喷涂技术在铁塔基体表面喷涂步骤(1)所得的物料：其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min，即得到Ni-Cu合金涂层；
(3).喷涂AT13陶瓷粉末涂层：采用等离子喷涂技术在步骤(1)所得的Ni-Cu合金涂层表面喷涂AT13陶瓷粉末涂层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为1.0-2.0％；其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
1).本发明采用湿磨方法进行混料，与干磨方法相比，湿磨时介质能起到很好的分散作用，防止了新形成的细小颗粒的聚集，而干磨时粉体颗粒由于不断的摩擦碰撞而不断减小，其比表面能逐渐增大，这就会导致由于具有很高的表面能，活性非常高，为了降低颗粒的总体能量，颗粒之间就很容易团在一起。
2).本发明中采用Ni-Cu合金涂层，Ni-Cu合金层的主要物相成分是Ni和Cu，一方面Ni在喷涂后主要起到支撑相与粘结相的作用，可以发挥良好的耐腐蚀、高强度及粘结性能等优点，而Cu主要起到产生氧化亚铜腐蚀产物的目的，Cu的腐蚀产物为氧化亚铜具有优良的杀菌防污性能，从而利用自身腐蚀后发挥更优异的耐腐蚀及防污性能；不同摩尔配比的Ni-xCu具有不同粘结强度与氧化亚铜腐蚀量，从而发挥不同能量的抗腐蚀及防污性能及强度性能。
3).本发明中采用AT13陶瓷粉末涂层，组织致密、均匀，与Ni-Cu合金涂层的结合强度高，不仅具有耐磨耐蚀性，可保护Ni-Cu合金层被磨损破坏与过度腐蚀，还具备可调控的孔隙率，通过控制AT13的低孔隙率，进而控制铜的析出腐蚀速率，在保证足够多Cu发生腐蚀并产生防污作用同时，有效控制Cu不能过量腐蚀，从而合理调控Ni-Cu合金层的腐蚀速率，AT13陶瓷粉末涂层与Ni-Cu合金涂层的复配及相互作用从而达到优异的抗污防腐的效果，提高整体复合涂层的长效防污性。
4).本发明采用等离子喷涂技术：(1)该技术应用成熟，加热温度高、速度快。(2)通常情况下都可在自然条件下连续冷却。(3)灵活的局部加热。相对于其他技术该技术可伴随高温等离子束的移动，被加热范畴也随之移动，进行局部加热，有利于进行局部性表面修复零件。(4)选材灵活，可按照实际需求，选择适当的材料成份，做成粉末。(5)工作效率高，便于操作，可实现机械化、自动化，减少劳动成本。
进一步地，所述步骤(1)中按球料比2:1-4:1的比例在球磨机内混合均匀。
进一步地，所述Ni粉与Cu粉的颗粒直径均为20～75微米。
进一步地，所述步骤(2)中：在对铁塔基体表面喷涂进行喷涂之前，先对铁塔基体表面进行预热至60-150℃。
进一步地，所述步骤(2)中在等离子喷涂前，球磨后的物料在100-150℃环境下干燥6-12小时；
进一步地，所述步骤(3)中AT13陶瓷粉末的颗粒直径均为20～75微米。
进一步地，所述步骤(3)中在等离子喷涂前，AT13陶瓷粉末先在100-150℃环境下干燥12-24小时。
一种由上述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法制备得到的Ni-Cu-AT13涂层。
实施例1
对粒径为20微米的Ni粉和Cu粉进行充分的混合，按摩尔比1:1，使用湿磨法在球磨机内混合均匀，粉末与磨球质量比为1:2，球磨机转速为300r/min，球磨时间为24h。随后将磨好的Ni-Cu粉末放在DHG-9240A干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为100℃，干燥时间为6h。待粉末完全干燥后得到喷涂防污涂层粉末。
2、对Q235钢基体进行表面预处理，喷砂之后通过无水乙醇清洗，放在电热鼓风干燥机中干燥，之后将球磨好的Ni-Cu金属粉末进行等离子喷涂工艺，其中电流400A，喷距80mm，氩气流量为30L/min、氢气流量为8L/min，即喷涂生成Ni-Cu合金涂层；
3、利用等离子喷涂工艺将AT13金属陶瓷粉末覆盖在Ni-Cu合金涂层的表层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为1.0％；其中电流400A，喷距80mm，氩气流量为30L/min、氢气流量为8L/min，送粉率为40g/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
实施例2
对粒径为75微米的Ni粉和Cu粉进行充分的混合，按摩尔比1:3，使用湿磨法在球磨机内混合均匀，粉末与磨球质量比为1:4，球磨机转速为300r/min，球磨时间为24h。随后将磨好的Ni-Cu粉末放在DHG-9240A干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为150℃，干燥时间为12h。待粉末完全干燥后得到喷涂防污涂层粉末。
2、对Q235钢基体进行表面预处理，喷砂之后通过无水乙醇清洗，放在电热鼓风干燥机中干燥，之后将球磨好的Ni-Cu金属粉末进行等离子喷涂工艺，其中电流700A，喷距150mm，氩气流量为50L/min、氢气流量为15L/min，即喷涂生成Ni-Cu合金涂层；
3、利用等离子喷涂工艺将AT13金属陶瓷粉末覆盖在Ni-Cu合金涂层的表层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为2.0％；其中电流700A，喷距150mm，氩气流量为50L/min、氢气流量为15L/min，送粉率为40g/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
实施例3
对粒径为50微米的Ni粉和Cu粉进行充分的混合，按摩尔比1:2，使用湿磨法在球磨机内混合均匀，粉末与磨球质量比为1:3，球磨机转速为300r/min，球磨时间为24h。随后将磨好的Ni-Cu粉末放在DHG-9240A干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为120℃，干燥时间为10h。待粉末完全干燥后得到喷涂防污涂层粉末。
2、对Q235钢基体进行表面预处理，喷砂之后通过无水乙醇清洗，放在电热鼓风干燥机中干燥，之后将球磨好的Ni-Cu金属粉末进行等离子喷涂工艺，其中电流550A，喷距120mm，氩气流量为40L/min、氢气流量为12L/min，即喷涂生成Ni-Cu合金涂层；
3、利用等离子喷涂工艺将AT13金属陶瓷粉末覆盖在Ni-Cu合金涂层的表层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为1.91％；其中电流600A，喷距120mm，氩气流量为35L/min、氢气流量为12L/min，送粉率为40g/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
实施例4
本对比例与实施例3的区别在于：步骤(3)中控制AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为4.58％，其中电流550A，喷距100mm，氩气流量为40L/min、氢气流量为8L/min，送粉率为40g/min。
实施例5
本对比例与实施例3的区别在于：步骤(3)中控制AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为7.44％，其中电流600A，喷距120mm，氩气流量为35L/min、氢气流量为12L/min，送粉率为40g/min。
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于：不含步骤(3)，即仅喷涂Ni-Cu合金涂层。
实验例1
将实施例1～5与对比例1所得到的涂层以及Q235钢基体分别进行检测。
表1实施例1～5与对比例1所得到的涂层以及Q235钢基体的极化曲线分析表
Figure BDA0002826165020000081
Figure BDA0002826165020000091
实验例2
对实施例3～5得到的三种不同孔隙率的Ni-Cu-AT13涂层的性质进行表征
2.1本发明实施例3的Ni-Cu/AT13涂层的XRD衍射图谱，结果如图1所示，由图1可看出：其主要由Ni-Cu合金相与Al2O3、TiO2相构成。
2.2扫描电镜图
采用扫描电子显微镜(SEM)观察分析本发明实施例3涂层孔隙率与组织结构性能，结果如图2所示，由图2可看出：高硬AT13涂层覆盖在Ni-Cu合金层表面，起到耐磨与耐腐蚀作用；Ni-Cu合金层具有较高的强度可起到良好粘结相与支撑相的作用。
2.3通过Imagine J软件测量实施例3～5得到的三种不同孔隙率Ni-Cu/AT13涂层，结果如图3所示，由图3可知：实施例3～5得到的涂层孔隙率分别为1.91％、4.58％与7.44％。
2.4本发明中Q235钢基体、实施例1～5与对比例1所得到的涂层在3.5％NaCl溶液中的极化曲线图，结果如图4所示，其中腐蚀数据如表1所示，由图与表可知：Ni-Cu/AT13涂层在低孔隙率、中孔隙率及多孔隙率下相对Q235基体均具有良好的耐腐蚀性能，其腐蚀主要受到AT13涂层孔隙率控制的Cu元素腐蚀影响，其中，即使在实施例5提供的多孔隙率的涂层下，铜离子渗出率可达62.65μg·cm-2·d-1，其仍能满足耐腐蚀耐污损的要求。因此，在Q235钢表面制备Ni-Cu/AT13可以有效地提高材料的耐磨、耐蚀、耐污损性能，延长材料的使用寿命。因此，在Q235钢表面喷涂一层Ni-Cu/AT13复合涂层能够有效地抑制其耐腐蚀速度，提高耐腐蚀性能与耐污损性能。
综上所述，本发明充分利用AT13涂层的高硬度、耐磨耐蚀性能及孔隙率的可控性，Ni-Cu合金层的高强度、粘结性能及Cu元素腐蚀产物的杀菌性能，搭建了具有耐蚀耐磨耐污损的Ni-Cu/AT13复合涂层，其中涂层的杀菌抗污性能主要取决于Ni-Cu合金层中Ni与Cu的摩尔比及AT13涂层的孔隙率大小，从而可实现杀菌抗污性能的灵活可控性。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1).将Ni粉与Cu粉按照摩尔比为1：1～3的比例，使用湿磨法在球磨机内混合均匀；
(2).采用等离子喷涂技术在Q235钢基体表面喷涂步骤(1)所得的物料：其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min，即得到Ni-Cu合金涂层；
(3).喷涂AT13陶瓷粉末涂层：采用等离子喷涂技术在步骤(1)所得的Ni-Cu合金涂层表面喷涂AT13陶瓷粉末涂层，并保持AT13陶瓷粉末涂层的孔隙率为1.0-8.0％；其中电流400-700A，喷距80-150mm，以氩气和氢气为等离子工作气，氩气流量为30-50L/min、氢气流量为8-15L/min；即制备得到Ni-Cu-AT13涂层。
2.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中按球料比2:1-4:1的比例在球磨机内混合均匀。
3.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述Ni粉与Cu粉的颗粒直径均为20～75微米。
4.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中：在对铁塔基体表面进行喷涂之前，先对铁塔基体表面进行预热至60-150℃。
5.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中在等离子喷涂前，球磨后的物料在100-150℃环境下干燥6-12小时。
6.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中AT13陶瓷粉末的颗粒直径均为20～75微米。
7.根据权利要求1所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中在等离子喷涂前，AT13陶瓷粉末先在100-150℃环境下干燥12-24小时。
8.一种由权利要求1～7任一项所述的新型输电铁塔用材Ni-Cu-AT13涂层的制备方法制备得到的Ni-Cu-AT13涂层。
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