镍基氮化钛金属陶瓷涂层接地网材料制备方法研究

王民波 邹少勇 肖 东 赵自威

(1.国网宜昌供电公司,湖北 宜昌 443002;2.三峡大学 电气与新能源学院,湖北 宜昌 443002)

目前,国内外普遍使用镀锌钢作为接地装置材料,另外还有不锈钢、铜覆钢、铜等.但经10年开挖检查发现,镀锌钢接地装置腐蚀严重,有的甚至腐蚀锈断,其防腐作用较Q235钢提升不大;不锈钢、铜覆钢等接地材料也有类似的问题,铜虽然在中碱性土壤中具有较好的防腐效果,但铜的价格昂贵,在酸性土壤环境中耐腐蚀性能不佳,且易造成土壤重金属污染.

近年来,由于金属陶瓷涂层具有良好的耐酸、碱、盐腐蚀的性能,而被诸多的专家学者所关注.N.Vershinin等[1-2]分别研究了不同制备技术和不同腐蚀介质(p H值2～8)对TiN镀层电化学腐蚀行为的影响,表明阴极电弧沉积TiN镀层的耐蚀性能优于等离子体增强化学气相沉积和反应磁控溅射沉积的镀层.李轩鹏等[3]利用极化曲线和电化学噪声技术对不锈钢表面制备TiN涂层进行耐蚀研究,表明TiN涂层主要起物理阻碍作用,涂层的主要失效形式是涂层表面的微观缺陷和破裂,TiN涂层能够明显改善基体的耐蚀性能.梁桂强等[4-5]利用超声电沉积的方法在Q235钢基体表面制备了Ni-TiN涂层的耐蚀性能,表明Ni-TiN纳米涂层的腐蚀速率很小,约为1.9×10-5kg/(m2·h),其表面更加平整,腐蚀孔较少.Ni-TiN镀层由于有很稳定的化学性能,以及和各种钢基材有较好的结合强度,特别适合用于材料的防腐蚀保护镀层.已经在各个领域中得到广泛的应用[6-8].

本文拟基于TiN涂层的制备工艺研发镍基氮化钛陶瓷涂层材料,并将其加工工艺引入到电力系统接地装置的防腐处理流程中,以充分发挥金属陶瓷材料优良的耐腐蚀性和导电性,从而显著提高电力系统接地装置的防腐性能及其运行寿命.

1 金属陶瓷涂层接地材料理论分析

采用金属陶瓷涂层法来解决接地装置的腐蚀问题是本文首次提出的特色和创新之处,其可行性已在其他领域得到了充分的印证,如超/特高压直流架空线路绝缘子和金具的防电化学腐蚀、切削刀具的抗塑性变形、水轮机叶片气蚀破坏部位修复等应用领域.

TiN具有高强度、高硬度、耐高温、耐酸碱侵蚀、耐磨损以及良好的导电性、导热性等一系列优点,Ni对酸碱有较强的耐腐蚀能力以及强于Q235钢的导电性,在高温下有防锈和耐热能力;且镍基氮化钛陶瓷涂层与圆钢、扁钢等基体结合紧密、附着力强、硬度高.综合以上因素考虑,本文将镍基氮化钛陶瓷涂层材料及其加工工艺引入到电力系统接地装置的防腐处理流程中,以充分发挥金属陶瓷材料优良的耐腐蚀性和导电性,从而显著提高电力系统接地装置的防腐性能及其运行寿命.

常温下钢的电阻率与铁基本一致,约为1×10-7Ω·m,TiN的电阻率为2.2×10-7Ω·m,Ni的电阻率为0.684×10-7Ω·m,可见氮化钛陶瓷涂层具有优良的导电性,理论分析可知金属陶瓷涂层对接地装置的电气性能影响基本可忽略;而接地导体在运行过程中并不承受机械荷载,因此对其表面涂层的硬度要求可基本忽略不计;且金属陶瓷的加工原材料和造价比较低廉.因此,无论从技术性还是经济性均可说明该方法用于接地装置的防腐是切实可行的,并且是成效显著的.

2 镍基氮化钛金属陶瓷涂层的制备

2.1 阿尔法喷嘴的改进

本文采用超音速火焰喷涂技术在Q235扁钢上制备镍基氮化钛金属陶瓷涂层,为制备更加致密的涂层,使其耐蚀性能能符合接地网要求,对传统超音速火焰喷涂的喷枪进行了改进,喷枪改进前后的对比如图1～2所示.

图1 改进前超音速火焰喷涂的喷枪原理图

图2 改进后超音速火焰喷涂的喷枪原理图

改进后的喷嘴包括:燃料管嘴(1)、氧气管嘴(2)、点火器(3)、送粉嘴(4)、燃烧室(5)、助燃室(6)、压缩空气管嘴(7)、拉法尔喷管(8)、送粉嘴(9)、喷嘴(10).将TiN粉末从送粉嘴(4)送入,Ni粉末从送粉嘴(9)送入,可使TiN粉末和Ni粉末均在半熔状态相遇,从而可充分混合,使得制备的镍基氮化钛陶瓷涂层更加致密;亦可避免镍粉在燃烧室(5)完全熔化堵塞喷管.且在燃烧室(5)与拉法尔喷管(8)之间增设一个助燃室(6),将压缩空气从压缩空气管嘴(7)通入助燃室(6),可提高燃料的燃烧效率,使熔点高的氮化钛达到半熔化状态;同时,送粉嘴(9)的方向设计成与轴向正方向呈钝角倾斜,加强与粉末的充分混合、加快喷射速度;喷嘴(10)出口处截面设计成椭圆形,增加了纵向喷涂宽度,使得每完成一次横向喷涂时所完成的喷涂面积增大,而横向喷涂时间不变,从而使得喷涂时间变短,且椭圆形出口处内径小于与其连接的球形喷嘴的内径,使半熔化的原料在经过出口处喷出时进行二次加速.综上所述,改进后的喷嘴能够缩短喷涂时间并使氮化钛粉末和镍粉混合更均匀,从而使得制备的涂层更加致密,防腐性能更好.

2.2 镍基氮化钛的制备方法

2.2.1 实验分组

为确定适合接地网耐腐蚀的镍基氮化钛金属陶瓷涂层配方,同时考虑实验是一个三因素三水平的实验,若按全面实验要求,需至少进行3×3=27种组合实验,最终考虑到效率与经济,试验采取正交试验的方法,将实验组合确定如表1所示的9组.

表1 超音速火焰喷涂制备TiN涂层正交实验数据

2.2.2 接地网基体材料的处理

实验用基体材料为Q235钢,加工成10 mm×6 mm的长方形试片,用砂纸进行打磨抛光,在超声波清洗和烘干后进行喷砂处理,放入真空沉积室专用装置上.具体实施方案如下:

1)试样尺寸:100 mm×60 mm×5 mm.

2)打孔:用打孔器在基材一端钻Φ5的圆孔,以便于基材的固定.

3)酸洗除锈:用稀H2SO4溶液对工件进行中和,去除碱性离子.

4)抛光:逐步用240号、600号、1000号的砂纸对基体进行打磨抛光,使得接地网材料表面粗糙度Ra不大于0.5.

5)清洗、除油:用超声波对抛光后的基材进行清洗,之后在稀NaOH溶液中电解除油,最后用去离子水进行冲洗、烘干.

6)喷砂:用喷砂机在基材表面进行喷砂处理,以便涂层和基材良好致密的结合.

2.2.3 涂层原料粉末的制备和处理

1)造粉:外购粉→球磨细化→配料→混料→烘干→过筛→掺成型剂→压制→脱成型剂→真空烧结.

①配料:在BS210S型分析天平上进行,天平精度为0.1 mg;

②混料:采用QM-1SP(4L)行星式球磨机湿法混料,每1 000 g混合粉末中加入分析纯的无水乙醇500～600 g,因为涂层致密度要求较高,因此采用7/8∶1的球料比,球磨机转速为220～280 r/min;

③烘干:料浆的干燥在温度为80～90℃的红外干燥箱中进行;

④掺成型剂:先在85～95℃左右配制7～8wt.%的聚乙烯醇溶液,待球磨好的粉料烘干后,将聚乙烯醇溶液掺入粉料中再烘干、造粒,使其成为具有一定大小和流动性的团粒.掺入聚乙烯醇溶液的重量为混合粉重量的5%～8%,再过200～240次目筛;

⑤混合料的成型:试验所有试样均在CSS-2210型电子万能试验机上进行,采用自制模具.具体压制工艺如图3所示;

⑥成型剂的脱除:在真空脱脂炉中脱除.具体工艺如下:真空度保持高于10 Pa,从200℃开始,以2～2.2℃/min的升温速度升温至800～850℃,再保温2～2.3 h.

烧结和预烧在HZS-25型真空烧结炉中进行,固相烧结阶段真空度控制在1～10 Pa之间,液相烧结阶段真空度控制在1～10-2Pa之间.

2)过筛:用离心过筛机将制好的涂层原料粉末进行过筛处理,留下45μm的粉末.

3)烘干:用烘干机对过筛后的粉末烘干处理.

2.2.4 涂层的制备

按照正交实验表1所示的参数进行编程调试和送粉量校正,然后将处理后的基体材料置于超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF固定架上;将已处理好的TiN粉末和Ni放入送粉器ZB-2000F中;ABB机械臂控制仪控制喷枪;喷枪采用图2所示的装置,最后,由电脑按以调试准确程序控制完成涂层制备.涂层制备前后的样品如图3～4所示.

3 镍基氮化钛涂层组织分析

涂层的致密度和涂层成分是影响涂层耐蚀能力的重要因素,图5为镍基氮化钛1～9号样品涂层组织示意图.

图3 制备涂层前的Q235钢

图4 镍基氮化钛涂层

图5 镍基氮化钛涂层组织示意图注:a～i分别为镍基氮化钛1～9号样品

由图5可知,1～9号样品的涂层均为灰色组织,涂层中有平滑区和细小粒子区,以及孔洞存在,平滑区为半融状态镍粉包裹氮化钛金属陶瓷相,粒子群区是由于在喷涂过程中半融状态的镍粉溅射形成,孔洞是因为喷涂中镍粉中夹杂了空气,在多层涂层堆叠喷涂中,前一层没有完全冷却,空气来不及完全溢出形成的.2、5、7、8号样品中为融化的TiN粉末比其余样品多.因为制备工艺和配方的不同使得制备过程中涂层的沉积速度,粉末的溶化程度,涂层的冷却速度均不同,从而导致涂层的组织结构也存在一定的差异.但1～9号样品的致密性均较好.

4 结 语

本文对镍基氮化钛金属陶瓷涂层在接地网的应用进行了研究,得出以下结论:

1)理论分析表明,TiN和Ni都具有较强的耐蚀性和低电阻率的特点,可满足接地网对防腐性能和电气性能的要求.

2)改型后的喷枪可使TiN和Ni粉末混合更均匀,涂层制备时间更短,制备的涂层更加致密.

3)提出了一套完整的镍基氮化钛金属陶瓷涂层接地网材料制备方法,为其在接地网的应用提供了实验数据.

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