鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層接地網(wǎng)材料制備方法研究

王民波 鄒少勇 肖 東 趙自威

(1.國網(wǎng)宜昌供電公司,湖北 宜昌 443002;2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院,湖北 宜昌 443002)

目前,國內(nèi)外普遍使用鍍鋅鋼作為接地裝置材料,另外還有不銹鋼、銅覆鋼、銅等.但經(jīng)10年開挖檢查發(fā)現(xiàn),鍍鋅鋼接地裝置腐蝕嚴(yán)重,有的甚至腐蝕銹斷,其防腐作用較Q235鋼提升不大;不銹鋼、銅覆鋼等接地材料也有類似的問題,銅雖然在中堿性土壤中具有較好的防腐效果,但銅的價格昂貴,在酸性土壤環(huán)境中耐腐蝕性能不佳,且易造成土壤重金屬污染.

近年來,由于金屬陶瓷涂層具有良好的耐酸、堿、鹽腐蝕的性能,而被諸多的專家學(xué)者所關(guān)注.N.Vershinin等[1-2]分別研究了不同制備技術(shù)和不同腐蝕介質(zhì)(p H值2～8)對TiN鍍層電化學(xué)腐蝕行為的影響,表明陰極電弧沉積TiN鍍層的耐蝕性能優(yōu)于等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積和反應(yīng)磁控濺射沉積的鍍層.李軒鵬等[3]利用極化曲線和電化學(xué)噪聲技術(shù)對不銹鋼表面制備TiN涂層進(jìn)行耐蝕研究,表明TiN涂層主要起物理阻礙作用,涂層的主要失效形式是涂層表面的微觀缺陷和破裂,TiN涂層能夠明顯改善基體的耐蝕性能.梁桂強(qiáng)等[4-5]利用超聲電沉積的方法在Q235鋼基體表面制備了Ni-TiN涂層的耐蝕性能,表明Ni-TiN納米涂層的腐蝕速率很小,約為1.9×10-5kg/(m2·h),其表面更加平整,腐蝕孔較少.Ni-TiN鍍層由于有很穩(wěn)定的化學(xué)性能,以及和各種鋼基材有較好的結(jié)合強(qiáng)度,特別適合用于材料的防腐蝕保護(hù)鍍層.已經(jīng)在各個領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[6-8].

本文擬基于TiN涂層的制備工藝研發(fā)鎳基氮化鈦陶瓷涂層材料,并將其加工工藝引入到電力系統(tǒng)接地裝置的防腐處理流程中,以充分發(fā)揮金屬陶瓷材料優(yōu)良的耐腐蝕性和導(dǎo)電性,從而顯著提高電力系統(tǒng)接地裝置的防腐性能及其運(yùn)行壽命.

1 金屬陶瓷涂層接地材料理論分析

采用金屬陶瓷涂層法來解決接地裝置的腐蝕問題是本文首次提出的特色和創(chuàng)新之處,其可行性已在其他領(lǐng)域得到了充分的印證,如超/特高壓直流架空線路絕緣子和金具的防電化學(xué)腐蝕、切削刀具的抗塑性變形、水輪機(jī)葉片氣蝕破壞部位修復(fù)等應(yīng)用領(lǐng)域.

TiN具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐酸堿侵蝕、耐磨損以及良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn),Ni對酸堿有較強(qiáng)的耐腐蝕能力以及強(qiáng)于Q235鋼的導(dǎo)電性,在高溫下有防銹和耐熱能力;且鎳基氮化鈦陶瓷涂層與圓鋼、扁鋼等基體結(jié)合緊密、附著力強(qiáng)、硬度高.綜合以上因素考慮,本文將鎳基氮化鈦陶瓷涂層材料及其加工工藝引入到電力系統(tǒng)接地裝置的防腐處理流程中,以充分發(fā)揮金屬陶瓷材料優(yōu)良的耐腐蝕性和導(dǎo)電性,從而顯著提高電力系統(tǒng)接地裝置的防腐性能及其運(yùn)行壽命.

常溫下鋼的電阻率與鐵基本一致,約為1×10-7Ω·m,TiN的電阻率為2.2×10-7Ω·m,Ni的電阻率為0.684×10-7Ω·m,可見氮化鈦陶瓷涂層具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,理論分析可知金屬陶瓷涂層對接地裝置的電氣性能影響基本可忽略;而接地導(dǎo)體在運(yùn)行過程中并不承受機(jī)械荷載,因此對其表面涂層的硬度要求可基本忽略不計;且金屬陶瓷的加工原材料和造價比較低廉.因此,無論從技術(shù)性還是經(jīng)濟(jì)性均可說明該方法用于接地裝置的防腐是切實(shí)可行的,并且是成效顯著的.

2 鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層的制備

2.1 阿爾法噴嘴的改進(jìn)

本文采用超音速火焰噴涂技術(shù)在Q235扁鋼上制備鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層,為制備更加致密的涂層,使其耐蝕性能能符合接地網(wǎng)要求,對傳統(tǒng)超音速火焰噴涂的噴槍進(jìn)行了改進(jìn),噴槍改進(jìn)前后的對比如圖1～2所示.

圖1 改進(jìn)前超音速火焰噴涂的噴槍原理圖

圖2 改進(jìn)后超音速火焰噴涂的噴槍原理圖

改進(jìn)后的噴嘴包括:燃料管嘴(1)、氧氣管嘴(2)、點(diǎn)火器(3)、送粉嘴(4)、燃燒室(5)、助燃室(6)、壓縮空氣管嘴(7)、拉法爾噴管(8)、送粉嘴(9)、噴嘴(10).將TiN粉末從送粉嘴(4)送入,Ni粉末從送粉嘴(9)送入,可使TiN粉末和Ni粉末均在半熔狀態(tài)相遇,從而可充分混合,使得制備的鎳基氮化鈦陶瓷涂層更加致密;亦可避免鎳粉在燃燒室(5)完全熔化堵塞噴管.且在燃燒室(5)與拉法爾噴管(8)之間增設(shè)一個助燃室(6),將壓縮空氣從壓縮空氣管嘴(7)通入助燃室(6),可提高燃料的燃燒效率,使熔點(diǎn)高的氮化鈦達(dá)到半熔化狀態(tài);同時,送粉嘴(9)的方向設(shè)計成與軸向正方向呈鈍角傾斜,加強(qiáng)與粉末的充分混合、加快噴射速度;噴嘴(10)出口處截面設(shè)計成橢圓形,增加了縱向噴涂寬度,使得每完成一次橫向噴涂時所完成的噴涂面積增大,而橫向噴涂時間不變,從而使得噴涂時間變短,且橢圓形出口處內(nèi)徑小于與其連接的球形噴嘴的內(nèi)徑,使半熔化的原料在經(jīng)過出口處噴出時進(jìn)行二次加速.綜上所述,改進(jìn)后的噴嘴能夠縮短噴涂時間并使氮化鈦粉末和鎳粉混合更均勻,從而使得制備的涂層更加致密,防腐性能更好.

2.2 鎳基氮化鈦的制備方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)分組

為確定適合接地網(wǎng)耐腐蝕的鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層配方,同時考慮實(shí)驗(yàn)是一個三因素三水平的實(shí)驗(yàn),若按全面實(shí)驗(yàn)要求,需至少進(jìn)行3×3=27種組合實(shí)驗(yàn),最終考慮到效率與經(jīng)濟(jì),試驗(yàn)采取正交試驗(yàn)的方法,將實(shí)驗(yàn)組合確定如表1所示的9組.

表1 超音速火焰噴涂制備TiN涂層正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.2 接地網(wǎng)基體材料的處理

實(shí)驗(yàn)用基體材料為Q235鋼,加工成10 mm×6 mm的長方形試片,用砂紙進(jìn)行打磨拋光,在超聲波清洗和烘干后進(jìn)行噴砂處理,放入真空沉積室專用裝置上.具體實(shí)施方案如下:

1)試樣尺寸:100 mm×60 mm×5 mm.

2)打孔:用打孔器在基材一端鉆Φ5的圓孔,以便于基材的固定.

3)酸洗除銹:用稀H2SO4溶液對工件進(jìn)行中和,去除堿性離子.

4)拋光:逐步用240號、600號、1000號的砂紙對基體進(jìn)行打磨拋光,使得接地網(wǎng)材料表面粗糙度Ra不大于0.5.

5)清洗、除油:用超聲波對拋光后的基材進(jìn)行清洗,之后在稀NaOH溶液中電解除油,最后用去離子水進(jìn)行沖洗、烘干.

6)噴砂:用噴砂機(jī)在基材表面進(jìn)行噴砂處理,以便涂層和基材良好致密的結(jié)合.

2.2.3 涂層原料粉末的制備和處理

1)造粉:外購粉→球磨細(xì)化→配料→混料→烘干→過篩→摻成型劑→壓制→脫成型劑→真空燒結(jié).

①配料:在BS210S型分析天平上進(jìn)行,天平精度為0.1 mg;

②混料:采用QM-1SP(4L)行星式球磨機(jī)濕法混料,每1 000 g混合粉末中加入分析純的無水乙醇500～600 g,因?yàn)橥繉又旅芏纫筝^高,因此采用7/8∶1的球料比,球磨機(jī)轉(zhuǎn)速為220～280 r/min;

③烘干:料漿的干燥在溫度為80～90℃的紅外干燥箱中進(jìn)行;

④摻成型劑: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,將聚乙烯醇溶液摻入粉料中再烘干、造粒,使其成為具有一定大小和流動性的團(tuán)粒.摻入聚乙烯醇溶液的重量為混合粉重量的5%～8%,再過200～240次目篩;

⑤混合料的成型:試驗(yàn)所有試樣均在CSS-2210型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,采用自制模具.具體壓制工藝如圖3所示;

⑥成型劑的脫除:在真空脫脂爐中脫除.具體工藝如下:真空度保持高于10 Pa,從200℃開始,以2～2.2℃/min的升溫速度升溫至800～850℃,再保溫2～2.3 h.

燒結(jié)和預(yù)燒在HZS-25型真空燒結(jié)爐中進(jìn)行,固相燒結(jié)階段真空度控制在1～10 Pa之間,液相燒結(jié)階段真空度控制在1～10-2Pa之間.

2)過篩:用離心過篩機(jī)將制好的涂層原料粉末進(jìn)行過篩處理,留下45μm的粉末.

3)烘干:用烘干機(jī)對過篩后的粉末烘干處理.

2.2.4 涂層的制備

按照正交實(shí)驗(yàn)表1所示的參數(shù)進(jìn)行編程調(diào)試和送粉量校正,然后將處理后的基體材料置于超音速火焰噴涂儀器ZB-2000HVOF固定架上;將已處理好的TiN粉末和Ni放入送粉器ZB-2000F中;ABB機(jī)械臂控制儀控制噴槍;噴槍采用圖2所示的裝置,最后,由電腦按以調(diào)試準(zhǔn)確程序控制完成涂層制備.涂層制備前后的樣品如圖3～4所示.

3 鎳基氮化鈦涂層組織分析

涂層的致密度和涂層成分是影響涂層耐蝕能力的重要因素,圖5為鎳基氮化鈦1～9號樣品涂層組織示意圖.

圖3 制備涂層前的Q235鋼

圖4 鎳基氮化鈦涂層

圖5 鎳基氮化鈦涂層組織示意圖注:a～i分別為鎳基氮化鈦1～9號樣品

由圖5可知,1～9號樣品的涂層均為灰色組織,涂層中有平滑區(qū)和細(xì)小粒子區(qū),以及孔洞存在,平滑區(qū)為半融狀態(tài)鎳粉包裹氮化鈦金屬陶瓷相,粒子群區(qū)是由于在噴涂過程中半融狀態(tài)的鎳粉濺射形成,孔洞是因?yàn)閲娡恐墟嚪壑袏A雜了空氣,在多層涂層堆疊噴涂中,前一層沒有完全冷卻,空氣來不及完全溢出形成的.2、5、7、8號樣品中為融化的TiN粉末比其余樣品多.因?yàn)橹苽涔に嚭团浞降牟煌沟弥苽溥^程中涂層的沉積速度,粉末的溶化程度,涂層的冷卻速度均不同,從而導(dǎo)致涂層的組織結(jié)構(gòu)也存在一定的差異.但1～9號樣品的致密性均較好.

4 結(jié) 語

本文對鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層在接地網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了研究,得出以下結(jié)論:

1)理論分析表明,TiN和Ni都具有較強(qiáng)的耐蝕性和低電阻率的特點(diǎn),可滿足接地網(wǎng)對防腐性能和電氣性能的要求.

2)改型后的噴槍可使TiN和Ni粉末混合更均勻,涂層制備時間更短,制備的涂層更加致密.

3)提出了一套完整的鎳基氮化鈦金屬陶瓷涂層接地網(wǎng)材料制備方法,為其在接地網(wǎng)的應(yīng)用提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

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