一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料及其制备装置和方法与流程

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料及其制备装置和方法。

背景技术：
接地网是保证发电、变电和输电系统设备安全运行和人身安全的必须设施。由于资源、经济等原因，我国接地网材料主要采用镀锌碳钢，这种材料长期处于复杂的土壤环境中，腐蚀不可避免。根据文献报道，我国电力接地网腐蚀状况比较严重，几乎每个省内电力接地网都存在不同程度的腐蚀，尤其是潮湿多雨的华南、华中地区，运行3-5年的镀锌钢出现严重腐蚀，甚至腐蚀断裂，造成多起设备损坏和停电事故。由此而来，接地网防腐一直是电力系统的重要研究课题，目前，国内外接地网常用的防护措施有：(1)换用铜或铜包钢材料；(2)实施阴极保护；(3)材料上涂刷导电防腐涂料。但是采用的这些防护措施仍然存在不少缺陷，如阴极保护，其施工虽然简单，但维护费用大；如果采取换用铜或铜包钢，虽然这种材料在普通土壤中非常耐腐蚀，但价格昂贵，又容易污染土壤，且腐蚀附近钢架结构电偶；而如果采用导电防腐涂料又存在老化快的问题，涂料一旦脱落，其局部将腐蚀加速。随着经济的高速发展，环境污染越来越严重，在酸、碱、盐等化学浸蚀性土壤下，接地网腐蚀尤为严重，镀锌钢的使用寿命不到1年，而铜在酸性土壤中的耐蚀性还不如镀锌钢，因此，对于酸、碱、盐等化学浸蚀性土壤中接地网的腐蚀一直还没有很好的防护措施。本发明提供了一种可显著提高接地网耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性的接地网镍基氮化钛金属陶瓷抗腐蚀防护涂层制备方法及装置，能够有效地解决接地网腐蚀问题。接地是电力系统正常运行、防雷、安全的需要，是发电、变电和送电系统安全运行的重要安全屏障，是保证电力系统安全运行不可缺少的一部分。接地网敷设在地下，必然受到周围土壤环境的侵蚀和腐蚀，造成损失和破坏，长年累月，一旦因腐蚀致使接地网接地电阻高于安全范围，即使还没有到断裂的程度，也很容易造成事故，甚至危及到人身安全。随着架空输电线路及变电站的数量、容量不断扩大，对接地网安全运行的要求越来越严格，对接地网热稳定性的要求也就越高。近年来，高压直流输电技术在我国的工程应用越来越多，但对绝大多数材料保护工作者对高压直流接地极的金属腐蚀问题还缺乏足够认识，因为高压直流接地极作为阳极在高压直流电解作用下本体腐蚀更快，更严重，且对附近地下金属物的腐蚀也比较突出。接地网腐蚀主要包括电化学腐蚀、化学腐蚀以及微生物腐蚀，其中电化学腐蚀最为严重，高压直流接地极造成的腐蚀即属于电化学腐蚀。对于接地网腐蚀问题，目前主要防治措施有三种：一是阴极保护法，该方法效果较好，但实时监测困难，成本较高；第二类是采用铜质接地网，该方法成本很高，在酸性土壤中耐蚀性不如碳钢，同时其腐蚀产物会造成水体以及土壤污染；第三种方法是在传统接地网材料表面增加防护涂层，该方法相对于前两种方法成本更低，效果也更好。目前接地网防护涂层主要包括镀锌和包铜两类，镀锌钢属于牺牲阳极的保护方法，因为阳极的快速溶解而导致保护周期过短；铜包钢则同样因为铜腐蚀的原因存在一些问题，另外铜钢复合材料的制造方法存在一定技术垄断与封锁。1969年，山特维克可乐满公司利用化学气相沉积(CVD)技术在硬质合金上成功制备出碳化钛(TiC)涂层。在过去的几十年里，由物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)生产的TiN涂层在加工工具、机械零件以及装饰等工业领域得到了广泛的应用，随着制备技术的提高，可获得TiN含量不同的涂层，能够制备20μm以上厚度的金属陶瓷涂层，且TiN涂层呈波浪状多层组织，涂层组织致密，层间结合情况良好，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。近年来国内已有大量针对接地网的腐蚀行为与诊断的研究，但是对于新的防护性涂层研发试验以及在接地网防腐蚀方面的应用则少有人关注。中国专利“一种具有阴极保护功能的防腐蚀新型接地体及其制作方法”《公开号：102544779A》提出了一种具有阴极保护功能的防腐蚀新型接地体及其制作方法，其通过在钢筋本体上设有一条或多条内宽外窄的阳极安装槽，在所述阳极安装槽内设有作为阳极的阳极材料，从而起到防止接地体被腐蚀，然而这一方法对接地体本身造成破坏，无法保证接地体的热稳定满足要求。中国专利“防腐接地网”《公开号：202749522U》提出了一种牺牲阳极填料包的防腐蚀接地网，其通过将镁合金制成的阳极保护模块和粉末状阳极保护材料放入布袋内，并用导电线连接所述接地网的阳极的方法防止接地网腐蚀。然而采用阴极保护方法维护费用十分大，若维护不及时，亦无法防止接地网被腐蚀，没有从根本上解决问题。

技术实现要素：
本发明提供了一种可显著提高接地网耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性的接地网镍基氮化钛金属陶瓷抗腐蚀涂层制备方法及耐腐蚀装置。一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料，所述材料包括按重量份计的以下组分：氮化钛20～60份，镍40～80份。一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的制备装置，包括燃烧室，所述燃烧室与助燃室连接，所述助燃室与拉法尔喷管连接，所述拉法尔喷管与喷嘴连接，所述燃烧室设有燃料管嘴、氧气管嘴、点火器和第一送粉嘴，所述助燃室设有压缩空气管嘴，所述喷嘴设有对称分布的两个第二送粉嘴。所述燃烧室远离助燃室一侧设有燃料管嘴、氧气管嘴。所述第二送粉嘴方向与轴向正方向呈钝角倾斜，所述喷嘴前端为球形且出口处截面为椭圆形，所述出口处截面椭圆形内径小于喷嘴前端球形的内径。所述第一送粉嘴4用于送熔点较高的粉末，所述第二送粉嘴用于送熔点较低的粉末。采用所述的装置制备耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的方法，所述方法包括以下步骤：1)抛光清洗接地网基材、称重金属陶瓷基体材料的原料粉；2)球磨细化：球磨细化所述步骤1)金属陶瓷基体材料的原料粉，得到料浆；3)烘干：对所述步骤2)得到的料浆进行干燥，得到烘干粉；4)掺成型剂和过筛：将聚乙烯醇溶液掺入所述步骤3)烘干粉中，再烘干、造粒，过200～200目筛，得到掺成型剂后的原料粉；5)原料的压制：将掺成型剂后的原料粉压制，得到压制后的原料粉；6)成型剂的脱除：将所述步骤5)压制后的原料粉在真空脱脂炉中脱除，得到脱除成型剂的原料粉；7)破碎过筛：将所述步骤6)得到的脱除成型剂的原料粉破碎，过筛，得到金属陶瓷基体材料；8)采用超音速火焰喷涂技术在所述步骤1)经过抛光清洗接地网基材的表面沉积所述步骤7)金属陶瓷基体材料：将所述步骤7)金属陶瓷基体材料中氮化钛粉通过第一送粉嘴送入燃烧室，将所述步骤7)金属陶瓷基体材料中镍粉送入第二喷嘴中加热，通过喷嘴将氮化钛、镍喷涂在金属陶瓷基体；完成耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的制作。所述步骤1)接地网材料抛光清洗方法为：对接地网材料表面进行磨制抛光，使接地网材料表面粗糙度Ra≤0.5，并采用超声波清洗；然后使用稀H2S04溶液进行中和，去除碱性离子，之后在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢；最后用去离子水进行冲洗、烘干。所述步骤2)球磨细化条件为采用行星式球磨机，每1000g原料粉末中加入分析纯的无水乙醇500～600g，采用7～8：1的球料比，球磨机转速为220～280r/min。所述步骤4)聚乙烯醇溶液浓度为7～8wt.％，在85～95℃下配制，掺入聚乙烯醇溶液的重量为烘干粉重量的5％～8％。所述步骤5)压制工艺为先升压至260～280MPa，压制20～25s；再降压至50MPa；最后再升至230～250MPa后压制15～20s。压制成块状是为了脱成型剂，因为粉末状是脱不了成型剂的。所述步骤6)成型剂的脱除条件为真空度≥10Pa，从200℃开始，以2～2.2℃/min的升温速度升温至800～850℃，再保温2～2.3h。本发明提供一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料及其制备装置和方法，具有以下的优点：1、与镀锌和包铜防护涂层相比，本发明的镍基氮化钛金属陶瓷涂层耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性更优，且环境友好，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对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，综合TiN和Ni的性能考虑，确定了TiN占20％～60％，Ni占40％～80％混合时，金属陶瓷涂层更加致密和耐热能力更强，在接地网中防腐蚀性能更好，保证了涂层不易被大电流造成的接地体过热而脱落，本发明结合为接地网独特设计的涂层制备装置，将TiN与Ni的混合粉末通过超音速火焰喷涂技术在普通接地钢材上制备镍基氮化钛金属陶瓷涂层，使镍基氮化钛涂层和普通接地钢材完全包覆，形成一种复合结构，二者结合紧密不易脱开，得到的金属陶瓷涂层材料具备较好的防腐蚀性能，满足接地网防腐蚀的需求；2、本发明工艺简单，沉积效率高，适合大规模生产。3、本发明还通过普通钢材的厚度与镍基氮化钛涂层厚度的合理配合，保证了接地体的机械强度，可获得较厚的金属陶瓷涂层，可大幅度延长涂层使用寿命，并降低成本；镍基氮化钛在酸、碱、盐等化学浸蚀性土壤具有耐腐蚀性，能有效预防接地体的腐蚀，显著增加接地材料的寿命；4、所采用的技术基于国产化技术，不受外国技术封锁困扰。5、本发明涂层制备装置增设送第一送粉嘴，将TiN粉末从第一送粉嘴送入，Ni粉末从第二送粉嘴送入，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金属陶瓷涂层更加致密；亦可避免镍粉在燃烧室完全熔化堵塞喷管；6、本发明涂层制备装置在燃烧室与拉法尔喷管之间增设一个助燃室，将压缩空气从压缩空气管嘴通入助燃室，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；7、本发明涂层制备装置将第二送粉嘴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；8、本发明涂层制备装置将喷嘴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，使得涂层更加致密；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。附图说明图1为本发明耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的制备装置结构示意图；图2为本发明耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料制备方法工艺流程图；图3为本发明制备耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的方法中混合料成型压力与时间关系曲线；图4为Q235扁钢试验样品处理前图；图5为Q235扁钢表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层实验样品图；其中：燃料管嘴1，氧气管嘴2，点火器3，第一送粉嘴4，燃烧室5，助燃室6，压缩空气管嘴7，拉法尔喷管8，第二送粉嘴9，喷嘴10。具体实施方式本发明制备装置一种耐腐蚀的接地网金属陶瓷涂层材料的制备装置，包括燃烧室5，所述燃烧室5与助燃室6连接，所述助燃室6与拉法尔喷管8连接，所述拉法尔喷管8与喷嘴10连接，所述燃烧室5设有燃料管嘴1、氧气管嘴2、点火器3和第一送粉嘴4，所述助燃室6设有压缩空气管嘴7，所述喷嘴10设有对称分布的两个第二送粉嘴9。所述燃烧室5远离助燃室6一侧设有燃料管嘴1、氧气管嘴2。所述第二送粉嘴9方向与轴向正方向呈钝角倾斜，所述喷嘴10前端为球形且出口处截面为椭圆形，所述出口处截面椭圆形内径小于与喷嘴10前端球形的内径。本发明实施具体实施方式：一、接地网材料的磨制抛光清洗：对接地网材料表面进行磨制抛光，使得接地网材料表面粗糙度Ra不大于0.5的表面，之后采用超声波清洗，然后使用稀H2S04溶液对工件进行中和，去除碱性离子；之后在稀NaOH溶液中电解除油，可以完全除掉油脂污垢；最后用去离子水进行冲洗、烘干。二、试验用金属陶瓷基体材料制备的工艺流程为：外购粉→配料→球磨细化→烘干→过筛→掺成型剂→压制→脱成型剂。1)配料：在BS210S型分析天平上进行，天平精度为0.1mg；2)球磨细化：采用QM-1SP(4L)行星式球磨机湿法混料，每1000g混合粉末中加入分析纯的无水乙醇500～600g，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220～280r/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7wt.％～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烘干粉重量的5～8％，再过200～240次目筛；5)原料的成型：本试验所有试样均在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10Pa，从200℃开始，以2～2.2℃/min的升温速度升温至800～850℃，再保温2～2.3h。三、将金属陶瓷基体材料置于超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中；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所示的喷枪装置，将TiN粉末从送粉嘴4送入，Ni粉末从第二送粉嘴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金属陶瓷涂层更加致密；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，第二送粉嘴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。本次试验采取正交试验的方法将实验组合确定为9组。如表1所示：表1镍基氮化钛涂层--超音速喷涂正交试验数据注：1号粉--60％TiN+40％Ni2号粉--40％TiN+60％Ni3号粉--20％TiN+80％Ni以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步说明：实施例1将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将1号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5.5V，喷涂层数为2层，温度控制在1889℃，喷涂速度389m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为20μm。实施例2将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将1号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为6V，喷涂层数为4层，温度控制在1725℃，喷涂速度389m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为40μm。实施例3将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将1号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5V，喷涂层数为6层，温度控制在1793℃，喷涂速度406m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为60μm。实施例4将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5.5V，喷涂层数为4层，温度控制在1815℃，喷涂速度407m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为40μm。实施例5将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为6V，喷涂层数为6层，温度控制在1794℃，喷涂速度345m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为60μm。实施例6将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5V，喷涂层数为2层，温度控制在1833℃，喷涂速度396m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为20μm。实施例7将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5.5V，喷涂层数为6层，温度控制在1678℃，喷涂速度434m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为60μm。实施例8将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为6V，喷涂层数为2层，温度控制在1695℃，喷涂速度516m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为20μm。实施例9将Q235钢加工为8*10mm的长方形实际工件，用金刚石砂纸逐级磨制，之后采用机械抛光Q235钢表面，抛光后的试样放入酒精中超声清洗后干燥获得Q235钢试样。将Q235钢试样放入超音速火焰喷涂仪器ZB-2000HVOF中，将2号粉放入送粉器ZB-2000F中，送粉电压为5V，喷涂层数为4层，温度控制在1687℃，喷涂速度499m/s，在Q235钢试样表面沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层，沉积镍基氮化钛金属陶瓷涂层厚度为40μm。上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。