一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材

摘要

本发明公开了一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，其特征在于：丝材外皮为铝带，丝材填充率为34-38%，粉芯丝材包括以下各元素，其原子百分比为：10-15at.%Si、3-8at.%Ni、8-14at.%Fe、余量Al。其制备方法为：按照上述粉芯丝材元素组成百分比称重配料，放入混粉机内混合；将铝带扎成U形，向U形槽中添入加粉系数为34-38%的上述混合后的粉末；然后将U形槽合口，把粉末包覆其中。经拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2.0mm。本粉芯丝材有较强非晶形成能力，采用高速电弧喷涂技术制备的铝基非晶纳米晶涂层具有优异的耐蚀性能，能显著提高钢结构零部件在沿海及近海环境下的长效防腐和服役寿命。

说明书

 

技术领域    

本发明属于材料加工工程专业中的热喷涂领域，具体的说是涉及一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，该粉芯丝材主要应用于钢结构零部件在沿海及近海服役环境下的腐蚀防护。

背景技术

随着世界能源危机的加剧和未来陆地资源日益枯竭，发展海洋经济已列入各沿海国家的发展战略。海洋经济的核心是发展海洋高新科技，而海洋工程装备是海洋高科技产业的基石。海洋工程装备需要大量工程用钢，然而，在海洋环境下这些工程结构钢将受到潮流、盐分、水温、微生物等影响，腐蚀是其主要的失效形式。据统计，全世界每年因腐蚀造成的损失约为2.2万亿美元，占世界GDP的3%。我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达900亿元人民币，海洋腐蚀占30%以上。可见，对海洋工程结构钢表面腐蚀防护问题的解决已刻不容缓。高速电弧喷涂技术是装备零部件再制造工程的关键支撑技术之一，通过制备高性能涂层既可以发挥热喷涂优质、高效、低成本的优势，又可以获得具有优质耐磨、防腐等性能的表面防护涂层，从而延长装备关键零部件的服役寿命。近年来，为提高海洋工程结构钢的服役寿命，热喷涂锌、铝及其合金涂层技术对钢铁构件和构筑物进行长效防护受到人们的青睐。随着海洋科技开发的广度和深度的不断拓展，未来对海洋工程装备结构全寿命期安全性和可靠性的要求越来越苛刻，传统的电弧喷涂防腐材料已难以适应工程构件在严酷的海洋服役环境下性能维护需求，而现有的海洋热喷涂防护材料质量不足与种类短缺已成为海洋战略研究开发的制约“瓶颈”，因此，加速新型耐蚀海洋工程结构钢防护材料的研发已迫在眉睫。

亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料；非晶材料内部不含晶界、位错、空位等晶体缺陷，组织均匀，具有优异的耐蚀性能；纳米晶材料存在尺寸效应，表面活性大，在腐蚀介质中可促进形成钝化膜，阻碍腐蚀的发生。高速电弧喷涂基于材料制备与成形一体化的思路，喷涂含有非晶涂层形成元素的粉芯丝材，在喷涂过程中可原位动态冶金反应形成非晶纳米晶涂层。目前高速电弧喷涂制备铁基非晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，但在电弧喷涂制备铝基非晶纳米晶涂层方面的文献报道甚少，仅有装甲兵工程学院的梁秀兵教授等人成功利用高速电弧喷涂技术制备了Al-Ni-Y-Co非晶纳米晶涂层(《金属学报》2012, 48(3)289-297)，但其粉芯丝材成本相对昂贵；获得的涂层非晶含量相对较低和晶体含量较高，这直接影响了涂层性能质量；且材料成分体系单一。因此，研发出高非晶含量且成本相对较低、耐蚀性能优异的电弧喷涂新体系铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材仍然具有重大的意义。但至今为止，还未见利用电弧喷涂技术制备粉芯丝材成分为AlFeNiSi非晶纳米晶涂层方面的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有电弧喷涂铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材成本较高、涂层非晶含量较低且成分单一等问题，本发明提供了一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出涂层具有结构致密，非晶含量较高，优异的耐蚀性能，并且成本低廉等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，其特征在于该粉芯丝材外皮所用带材为铝带，粉芯丝材填充率为34-38%，粉芯丝材包括以下各元素，其原子百分比为：10 - 15 at. % Si、3 - 8 at.% Ni、8 - 14 at.% Fe、余量Al。

所述的一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶层用的粉芯丝材，其特征在于，所述粉芯丝材包括以下各元素，其原子百分比为：10 at. % Si、3 at.% Ni、8 at.% Fe、余量Al。

所述的一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材的成分按原子百分比为：12 at. % Si、5 at.% Ni、10 at.% Fe、余量Al。

所述的一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材的成分按原子百分比为：13 at. % Si、7 at.% Ni、12 at.% Fe、余量Al。

所述的一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材，其特征在于，粉芯丝材的成分按原子百分比为：15 at. % Si、8 at.% Ni、14 at.% Fe、余量Al。

一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材的制备方法，其制备步骤如下：

1)        按照上述各种粉芯丝材元素组成百分比称重配料，将所取的粉末放入混粉机内混合30min；

2)        将铝带扎成U形，再向U形槽中加入占喷涂粉芯丝材总重34-38%的上述混合后的粉末；

3)        将U形槽合口，把粉末包覆在其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后丝材的直径为2mm，得到所述的粉芯丝材。

本发明有益的效果：合理设计粉芯各组分的含量，采用现有高速电弧喷涂技术可在冷却的钢基体上形成致密、连续的铝基非晶纳米晶涂层； 该涂层的非晶含量较高且耐蚀性能优异，为沿海及近海钢结构件表面腐蚀和防护问题的解决，提供一种行之有效的措施，应用前景广阔。

附图说明

附图1：实施例1制备的铝基非晶纳米晶涂层的X射线衍射图谱，

附图2：实施例1制备的铝基非晶纳米晶涂层X射线衍射拟合图谱，

附图3：实施例2制备的铝基非晶纳米晶的截面形貌，

附图4：实施例3 制备的铝基非晶纳米晶涂层的硬度分布图，

附图5：实施例4制备的铝基非晶纳米晶涂层的TEM形貌。

具体实施方式

本发明通过如下措施来实现：

实施例1：一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.3mm（宽度为10mm，厚度为0.3mm）的纯铝带。先将其扎成U形。按照粉芯丝材各元素原子百分比为：10 at. % Si、3 at.% Ni、8 at.% Fe、余量Al，称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形铝带槽中，填充率为34％。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。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。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0.6MPa。

实施例1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。图中没有发现对应于结晶相的反射峰，表明制备的涂层是非晶态。通过对XRD图谱进行拟合，如图2所示：计算得到涂层中非晶含量为63％（体积分数）。

实施例2：一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.3mm（宽度为10mm，厚度为0.3mm）的纯铝带。先将其扎成U形。按照粉芯丝材各元素原子百分比为：12 at. % Si、5 at.% Ni、10 at.% Fe、余量Al，称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形铝带槽中，填充率为36％。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。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。制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为36V，喷涂电流为140A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.6MPa。

实施例2制备的非晶涂层截面形貌如图3所示。可以看出：涂层组织均匀，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1.5%。

实施例3：一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.3mm（宽度为10mm，厚度为0.3mm）的纯铝带。先将其扎成U形。按照粉芯丝材各元素原子百分比为：13 at. % Si、7 at.% Ni、12 at.% Fe、余量Al，称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形铝带槽中，填充率为37％。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。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。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0.65MPa。

实施例3制备的非晶涂层截面硬度如图4所示。可以看出：涂层的平均硬度为372.4 HV，涂层的孔隙率为1.8%。

实施例4：一种耐海洋环境腐蚀铝基非晶纳米晶涂层用的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.3mm（宽度为10mm，厚度为0.3mm）的纯铝带。先将其扎成U形。按照粉芯丝材各元素原子百分比为：15 at. % Si、8 at.% Ni、14 at.% Fe、余量Al，称重配料。将所取的粉末放入混粉机内混合30min后，将混合的粉末加入U形铝带槽中，填充率为38％。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。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。制备涂层所用的工艺参数：喷涂电压为34V，喷涂电流为140A，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.65MPa。

经检测实施例3制备的非晶涂层的TEM图片如图5所示，可以看出涂层组织主要由非晶、α-Al纳米晶等组成。