CN113957432A - 一种海洋设备防污表面的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种海洋设备防污表面的制备方法，属于海洋设备防污领域。根据本发明的海洋设备防污表面的制备方法，将以钛合金粉末为主，通过采用激光熔覆技术对不锈钢表面进行激光熔覆处理。由于钛合金粉末在激光的照射下会产生纳米级的颗粒，而纳米级的颗粒具有一定的防污功能，使得本发明的制备方法得到的海洋设备防污表面具有优良的防污性能。而且Ni60合金粉末起到提升防污表面的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性，可以提升防污表面的物理化学性能。因此，本发明涉及的海洋设备防污表面的制备方法，不仅能提升防污表面的防污性能，同时也能提升防污表面的物理化学性能，增加防污表面的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于海洋设备防污领域，具体涉及一种海洋设备防污表面的制备方法。
背景技术
海洋生物污损会对一系列的海洋活动带来危害，特别是对船舶行业，生物污损会造成船舶自身重量、船体表面粗糙度以及船体的腐蚀程度增加，使得船体表面的一些减阻措施失效，船舶油耗以及维修成本大大增加。海洋设备的防污减阻问题对军工和民用航运业及海洋设施的有效利用都十分重要，据不完全统计每年为此付出的费用多达2000亿美元。海洋污损生物种类繁多，超过5000种污损生物，从几微米大小的硅藻到大型海洋污损生物藤壶等。早期人们通过使用有毒的防污涂料进行船舶防污，然而这会对海洋生态环境造成十分严重的污染。
发明内容
为解决上述问题，提供一种海洋设备防污表面的制备方法，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1，选择不锈钢板作为加工试样，对其进行预处理；步骤S2，在保护气体环境下，采用合金粉末在不锈钢板的表面进行激光熔覆处理；步骤S3，将激光熔覆处理后的不锈钢板试样自然冷却并进行矫正处理，其中，合金粉末包括镍基合金和钛合金，镍基合金和钛合金的质量配比为0～(4:6)。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S1包括如下子步骤：步骤S1-1，对不锈钢板的表面采用砂纸或砂轮除锈，步骤S1-2，采用丙酮对除锈后的不锈钢板的表面进行清洗直至表面光洁无污渍。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S2中，激光熔覆处理采用的激光功率范围为1000W-2000W，扫描速度范围为1000mm/min-2000mm/min。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S2中，镍基合金为Ni60，钛合金为TC4钛合金，TC4钛合金为Ti-6Al-4V。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S2中，镍基合金和钛合金的质量配比为0、2:8、3:7以及4:6中的任意一种。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S2中，激光熔覆处理采用同步送粉式激光熔覆设备，该同步送粉式激光熔覆设备的扫描轨迹为连续轨迹。
本发明提供的海洋设备防污表面的制备方法，还可以具有这样的特征，其中，步骤S2中，保护气体为氩气。
发明作用与效果
根据本发明的海洋设备防污表面的制备方法，将以钛合金粉末为主的合金粉末，采用激光熔覆技术在不锈钢表面进行激光熔覆处理。由于钛合金粉末在激光的照射下会产生纳米级的颗粒，而纳米级的颗粒具有一定的防污功能，使得以本发明的制备方法得到的海洋设备防污表面还具有优良的防腐蚀性能。而且Ni60合金粉末起到提升防污表面的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性的作用，可以提升防污表面的物理化学性能。因此，本发明涉及的海洋设备防污表面的制备方法，不仅能提升防污表面的防污性能，同时也能提升防污表面的物理化学性能，增加防污表面的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的实施例中的海洋设备防污表面激光熔覆处理的流程示意图；
图2是本发明的实施例中得到的防污表面的实物图；
图3是本发明的实施例中的不锈钢试样及防污涂层试样表面接触角的示意图(其中，图3(a)为试样0的接触角，图3(b)为试样1的接触角，图3(c)为试样2的接触角，图3(d)为试样3的接触角，图3(e)为试样4的接触角)；
图4是本发明的实施例中混合粉末质量配比对涂层接触角和表面能影响的示意图(其中，图4(a)为五种防污表面接触角的柱状图，图4(b)为五种防污表面的表面能柱状图)；
图5是本发明的实施例中五种防污表面的微生物附着图(其中，图5(a)为0号试样的表面微生物附着图，图5(b)为1号试样的表面微生物附着图，图5(c)为2号试样的表面微生物附着图，图5(d)为3号试样的表面微生物附着图，图5(e)为4号试样的表面微生物附着图)；
图6为本发明实施例中五种防污表面的微生物附着率柱状图；
图7是本发明的实施例中五种防污表面的硬度图表；
图8是本发明的实施例中五种防污表面的动电位极化参数图表；
图9是本发明的实施例中五种防污表面的动电位极化曲线图；
图10是本发明的实施例中防污表面的XRD(其中，图10(a)为1号试样(纯TC4)熔覆层的XRD图，图10(b)为2号试样防污表面的XRD图，图10(c)为3号试样防污表面的XRD图，图10(d)为4号试样防污表面的XRD图)；
图11是本发明的实施例中防污表面的SEM图(其中，图11(a)为1号试样(纯TC4熔覆层)的SEM图，图11(b)为2号试样熔覆层的SEM图，图11(c)为3号试样防污表面的SEM图，图11(d)为4号试样防污表面的SEM图)。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的海洋设备防污表面的制备方法作具体阐述。
<实施例>
本实施例提供了一种海洋设备防污表面的制备方法。
海洋设备防污表面的制备方法包括如下步骤：
步骤S1，选择四个不锈钢板作为加工基体，对其表面分别进行清洁处理，得到表面光洁无污渍的不锈钢基体试样。其中，不锈钢板为316L不锈钢板。
步骤S1中的清洁处理的过程包括如下子步骤：
步骤S1-1，对四个不锈钢试样的表面采用砂纸或手持式砂轮或其它方法进行除锈；
步骤S1-2，采用丙酮对除锈后的四个不锈钢试样的表面进行清洗直至表面光洁无污渍。
图1是本发明的实施例中的海洋设备防污表面的激光熔覆处理流程示意图。
如图1所示，步骤S2，将四种不同的合金粉末分别通过激光功率范围为1000W-2000W，扫描速度范围为1000mm/min-2000mm/min的同步送粉式激光熔覆设备，对四个不锈钢试样的表面分别进行激光熔覆处理。在激光熔覆过程中，使用氩气作为激光加工时的保护气体，并且在加工前将密封舱内做真空处理。
其中，同步送粉式激光熔覆设备的扫描轨迹为连续轨迹。
四种不同的合金粉末分别为纯TC4粉末、质量配比为2:8的Ni60与TC4混合粉末、质量配比为3:7的Ni60与TC4混合粉末以及质量配比为4:6的Ni60与TC4混合粉末。
同步送粉式激光熔覆设备具有送粉器、激光器、反射镜以及数控系统。反射镜用于反射激光器发出的激光束。数控系统用于控制送粉器以及激光器。
图2是本发明的实施例中得到的附有防污表面的不锈钢试样的实物图。
如图2所示，步骤S3，将激光熔覆处理后的不锈钢试样自然冷却并进行矫正处理，即得到具有防污表面的四种不锈钢试样。
对上述制备方法得到的具有防污表面的四种不锈钢试样以及未做防污处理的原始不锈钢试样，即五种不锈钢试样，分别进行水接触角/表面能测试、实验室海水微生物附着试验、电化学腐蚀测试、表面硬度和显微硬度测试以及防污涂层的SEM及XRD观察。其中，五种不锈钢试样分别为0号试样、1号试样、2号试样、3号试样、以及4号试样。0号试样为无防污表面的不锈钢试样；1号试样是熔覆纯TC4粉末作为防污表面的不锈钢试样；2号试样是熔覆质量配比为2:8的Ni60与TC4混合粉末作为防污表面的不锈钢试样；3号试样是熔覆质量配比为3:7的Ni60与TC4混合粉末作为防污表面的不锈钢试样；4号试样是熔覆质量配比为4:6的Ni60与TC4混合粉末作为防污表面的不锈钢试样。
图3是本发明的实施例中的不锈钢试样及防污涂层试样表面接触角的示意图。其中，图3(a)为0号试样的接触角，图3(b)为1号试样的接触角，图3(c)为2号试样的接触角，图3(d)为3号试样的接触角，图3(e)为4号试样的接触角。
图4是本发明的实施例中合金粉末质量配比对涂层接触角和表面能影响的示意图(其中，图4(a)为五种防污表面接触角的柱状图，图4(b)为五种防污表面的表面能柱状图)。
水接触角/表面能测试实验结果表明：无防污表面的不锈钢试样表面接触角为77.52°，表面微生物附着率为4％；四个防污层试样的接触角均比无防污表面的不锈钢试样的要大，表面微生物附着率均比无防污表面的不锈钢试样的要小，最大接触角为101.37°，最小微生物附着率为1.41％。根据水接触角和表面能与四种粉末配比、激光功率、扫描速度的关系，当粉末质量配比为Ni60:TC4＝3:7、激光功率为1300w、扫描速度为1000mm/min时，得到的熔覆层接触角最大，表面能最低，熔覆层的防污性能最好。
图5是本发明的实施例中五种防污表面的微生物附着图。其中，图5(a)为0号试样的表面微生物附着图；图5(b)为1号试样的表面微生物附着图；图5(c)为2号试样的表面微生物附着图；图5(d)为3号试样的表面微生物附着图；图5(e)为试样4的表面微生物附着图。
图6为本发明的实施例中五种防污表面的微生物附着率的柱状图。
实验室海水微生物附着试验是将海水倒入烧杯里，将不锈钢试样悬挂于其中并将烧杯置于恒温水浴锅，温度设置为30℃，挂片实验进行20天后，对不锈钢试样表面的微生物进行固定和染色，在荧光显微镜下观察表面微生物的附着情况，同时通过ImageJ软件对微生物附着图表面的微生物所占的面积进行计算。
如图5和图6所示，经ImageJ软件处理后，可以更加直观的看出不同试样上的微生物附着量。从图中可看出，1-4号试样的微生物附着量以及微生物附着率明显少于0号试样。相比于无防污表面的不锈钢试样，具有防污材表面的不锈钢试样上附着的微生物更少，防污效果更好。
图7是本发明的实施例中五种防污表面的硬度图表。
如图7所示，空白试样为0号试样，即为未涂有防污材料的不锈钢试样。在激光熔覆处理的激光速率与扫描速度相同的情况下，1号试样至4号试样的表面硬度明显大于0号试样。相对于无防污表面的不锈钢试样，具有防污表面的不锈钢试样的硬度更好。
图8是本发明的实施例中五种防污表面的动电位极化参数图表；图9是本发明的实施例中五种防污表面的动电位极化曲线图。
如图8和图9所示，相对于无防污表面的不锈钢试样，具有防污表面的不锈钢试样的耐腐蚀性能更好。
图10是本发明的实施例中防污表面的XRD图，其中，图10(a)为1号试样(纯TC4)熔覆层的XRD图，图10(b)为2号试样防污表面的XRD图，图10(c)为3号试样防污表面的XRD图，图10(d)为4号试样防污表面的XRD图；图11是本发明的实施例中防污表面的SEM图，其中，图11(a)为1号试样(纯TC4熔覆层)的SEM图，图11(b)为2号试样熔覆层的SEM图，图11(c)为3号试样防污表面的SEM图，图11(d)为4号试样防污表面的SEM图。
如图10和图11所示，对不锈钢试样表面的物相组成分析以及对不锈钢试样表面的微观形貌观察，不锈钢试样表面的防污层，其防污的原因是在激光照射作用下，熔覆层中有钛的氧化物生成，并且随着Ni60的增加，熔覆层的致密性也越来越好，同时表面的裂纹与凹坑也逐渐减少。通过SEM观察可知，随着混合粉末中Ni60含量的增多，防污层表面的致密性越来越好，表面的凹坑和裂纹也越来越少。
实施例作用与效果
根据本实施例的海洋设备防污表面的制备方法，将主要以钛合金粉末为主，通过采用激光熔覆技术对不锈钢表面进行激光熔覆处理。由于钛合金粉末在激光的照射下会产生纳米级的颗粒，而纳米级的颗粒具有一定的防污功能。而且Ni60合金粉末起到提升防污表面的硬度、耐磨性以及耐腐蚀性，可以提升防污表面的物理化学性能。因此，本实施例涉及的海洋设备防污表面的制备方法，不仅能提升防污表面的防污性能，同时也能提升防污表面的物理化学性能，增加防污表面的使用寿命。
另外，本实施例的海洋设备防污表面的制备方法，通过激光熔覆技术在316L不锈钢板上制备以混合粉末TC4(Ti-6Al-4V)和Ni60为熔覆材料的防污层，该方法是一种绿色环保的防污方法，不会对海洋环境造成任何危害。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。例如，基体材料不仅可用316L不锈钢,其它型号的不锈钢材料或其它金属材料均可做为激光熔覆的基体。
Claims (7)
1.一种海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1，选择不锈钢板作为加工试样，并对其进行预处理；
步骤S2，在保护气体下，采用合金粉末在不锈钢板的表面进行激光熔覆处理；
步骤S3，将激光熔覆处理后的所述不锈钢板自然冷却并进行矫正处理，
其中，所述合金粉末包括镍基合金和钛合金，
所述镍基合金和所述钛合金的质量配比为0～(4:6)。
2.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述激光熔覆处理采用的激光功率范围为1000W-2000W，扫描速度范围为1000mm/min-2000mm/min。
3.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述镍基合金为Ni60，
所述钛合金为TC4钛合金，
所述TC4钛合金为Ti-6Al-4V。
4.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述镍基合金和所述钛合金的质量配比为0、2:8、3:7以及4:6中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述激光熔覆处理采用同步送粉式激光熔覆设备，该同步送粉式激光熔覆设备的扫描轨迹为连续轨迹。
6.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S2中，所述保护气体为氩气。
7.根据权利要求1所述的海洋设备防污表面的制备方法，其特征在于：
其中，步骤S1包括如下子步骤：
步骤S1-1，对所述不锈钢板的表面采用砂纸或砂轮除锈，
步骤S1-2，采用丙酮对除锈后的所述不锈钢板的表面进行清洗直至表面光洁无污渍。
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| CN111118493A (zh) * | 2020-01-09 | 2020-05-08 | 中国民航大学 | 一种钛合金表面含铜钛基耐磨激光熔覆层及其制备方法 |
| CN112941507A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 上海理工大学 | 一种基于激光熔覆的减振降噪涂层的加工方法 |
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|---|---|
| CN113957432B (zh) | 2023-11-10 |
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