一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法与流程

本发明属于涂层材料制备技术领域，具体涉及一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法。

背景技术：
随着我国国防工业和国民经济的发展，钢材的应用广泛，特别是海洋事业的发展，对海上水下工程提出了越来越高的要求。材料的高强度和高耐海水腐蚀性能是水下工程的关键指标之一。钢材是最常用的结构材料，具有一系列优良的性能，如力学性能、焊接性能、热稳定性能等，且成本相对较低。然而钢材的耐海洋腐蚀性能远不如钛合金，且比重较大。钢材在海水中的主要腐蚀破坏形态为点蚀和缝隙腐蚀。国内外一些文献都明确指出，304L和316L试样全浸在海水中仅经历3～6个月，便因严重点蚀和缝隙腐蚀而穿孔，降低了使用寿命。因此、在某些情况下需要将钢材与钛连接起来使用，发挥各自的优势。因此从使用性能角度出发，在钢材表面制备钛合金耐蚀涂层是非常有必要的。钢材中的铁元素与钛元素在元素周期表中不同族，钢材与钛金属之间物理、化学和力学性能均差异巨大，采用常规表面方法在钢材表面制备钛合金涂层，容易出现冶金不相容性，在界面易于形成脆性化合物相，以及由于热物理性能不匹配产生残余应力等严重影响表面质量。钢材表面制备钛合金耐蚀涂层的主要难点是：互溶性差，由相图可知，低温下，Fe在α-Ti中的固溶度很小，激光直接熔覆时，二者不发生反应，成分不均匀，此外，二者的热导率、比热容和线膨胀系数差异均比较大，容易导致连接区域变形大，不平整。

技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，该方法在钢板表面制备得到的耐蚀复合涂层由镍过渡层和钛表面层构成，该耐蚀复合涂层结构致密、表面平整光滑、与基体结合良好且耐蚀性能良好，能够显著提高海洋工程用钢材材料表面的耐蚀性能。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、对钢板表面进行脱脂清洗，然后将脱脂清洗后的钢板置于电解液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为0.1A/dm2～2A/dm2的条件下对所述钢板进行阴极活化处理；所述电解液为质量浓度为2.16％～20％的盐酸溶液，所述阴极活化处理的时间为1min～5min；步骤二、将步骤一中经阴极活化处理后的钢板置于镍电镀液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为2A/cm2～5A/cm2的条件下对所述钢板表面进行电镀处理，清洗后干燥，得到表面具有镍过渡层的钢板；所述镍电镀液的温度为40℃～60℃，镍电镀液的pH值为4～6，电镀处理的时间为1h～5h；步骤三、以金属钛粉为粉料，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa～1MPa的氩气保护气氛下对步骤二中具有镍过渡层的钢板表面进行激光熔覆处理，在镍过渡层表面得到厚度为0.5mm～1.51mm的钛表面层，然后将经激光熔覆处理后的钢板按2℃/min～3℃/min冷却速度冷却至室温，在钢板表面制备得到耐蚀复合涂层；所述激光熔覆处理的激光功率为1000W～8000W，正离焦为10mm～15mm，送粉率为30g/min～50g/min，扫描速度为20mm/s～30mm/s，搭接率为70％～80％。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤二中每升所述镍电镀液中含氨基磺酸镍300g～400g，氯化镍30g～50g，硼酸30g～45g，十二烷基硫酸钠0.5g～1g。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述镍过渡层的厚度不小于0.1mm。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤二中所述电镀处理的电流密度为2A/cm2～3A/cm2，镍电镀液的温度为45℃～55℃，镍电镀液的pH值为4.5～5，电镀处理的时间为3h～5h。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述电镀处理的电流密度为2.5A/cm2，镍电镀液的温度为50℃，镍电镀液的pH值为4.5，电镀处理的时间为4h。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，步骤三中所述激光熔覆处理的激光功率为2500W～7500W，正离焦为12mm～15mm，送粉率为35g/min～45g/min，扫描速度为20mm/s～25mm/s，搭接率为70％～75％。上述的一种在钢板表面制备耐蚀复合涂层的方法，其特征在于，所述激光熔覆处理的激光功率为6000W，正离焦为15mm，送粉率为40g/min，扫描速度为20mm/s，搭接率为70％。本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明在钢板表面制备得到的耐蚀复合涂层由镍过渡层和钛表面层构成，该耐蚀复合涂层结构致密平整，与基体结合良好且耐蚀性能良好，能够显著提高海洋工程用钢材材料表面的耐蚀性能。2、本发明在具有镍过渡层的钢板表面采用激光熔覆的工艺制备钛表面层，能够充分发挥钢材与钛金属在性能和经济上的互补优势，为了在钢板表面获得耐蚀性能优良的钛涂层，设计镍为过渡层，一方面，Fe与Ni为同族元素，两者的相容性好，所以形成的固溶体的性能较好，另一方面，镍过渡层和钛表面层之间可以实现Ti-Ni无限固溶，Ti-Ni无限固溶形成的过饱和固溶体相的塑性比Ti-Fe金属间化合物的塑性优良。3、本发明采用金属镍为中间过渡层，能够显著改善钢板和钛连接处材料界面的状况，如力学性能、结构和成分均匀性等，有效减少脆性金属间化合物的生成，显著改善涂层的表面质量，如平整度、缺陷等，大大减少涂层开裂的倾向。4、本发明制备的钛表面层能够与镍过渡层实现冶金结合，使钢板能够适用于极端重载荷的工况，本发明工艺过程稳定性好、适用范围广、成本低，适用于大规模工业化生产。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为本发明实施例1制备的耐蚀复合涂层的SEM照片。图2为本发明实施例1制备耐蚀复合涂层前和制备耐蚀复合涂层后钢板表面的电位极化曲线对比图。具体实施方式实施例1本实施例包括以下步骤：步骤一、利用超声波清洗机对钢板表面进行脱脂清洗，然后将脱脂清洗后的钢板置于电解液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为0.5A/dm2的条件下对所述钢板进行阴极活化处理；所述电解液为质量浓度为4.3％的盐酸溶液，所述阴极活化处理的时间为5min，所述脱脂清洗的时间为15min，所述钢板为45#钢板；步骤二、将步骤一中经阴极活化处理后的钢板置于镍电镀液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为2.5A/cm2的条件下对所述钢板表面进行电镀处理，清洗后干燥，得到表面具有镍过渡层的钢板；所述镍电镀液的温度为40℃，镍电镀液的pH值为5，电镀处理的时间为5h，所述镍电镀液的溶剂为水，镍电镀液中各组分的浓度为氨基磺酸镍350g/L，氯化镍40g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.5g/L；步骤三、以金属钛粉为粉料，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa的氩气保护气氛下对步骤二中具有镍过渡层的钢板表面进行激光熔覆处理，在镍过渡层表面得到厚度约为0.50mm的钛表面层，然后将经激光熔覆处理后的钢板按2℃/min冷却速度冷却至室温25℃，在钢板表面制备得到耐蚀复合涂层；所述激光熔覆处理的激光功率为2580W，正离焦为12mm，送粉率为30g/min，扫描速度为30mm/s，搭接率为70％，激光熔覆处理中激光束输出前预通氩气5min～10min。从图1中可以看出，本实施例在钢板表面制备得到了由厚度约为0.16mm的镍过渡层和厚度约为0.50mm的钛表面层构成的耐蚀复合涂层，该复合涂层结构致密平整，与基体结合良好，其中镍过渡层与钛表面层之间明显形成了冶金结合，结合强度较高；图2中曲线a为制备耐蚀复合涂层前钢板表面的电位极化曲线(电解液为3.5wt.％的氯化钠水溶液)，曲线b为制备耐蚀复合涂层后钢板表面的电位极化曲线(电解液为3.5wt.％的氯化钠水溶液)，对比曲线a和曲线b可以看出，制备耐蚀复合涂层后钢板表面的Icorr<制备耐蚀复合涂层前钢板表面的Icorr，制备耐蚀复合涂层后钢板表面的Ecorr>制备耐蚀复合涂层前钢板表面的Ecorr，Icorr越小，Ecorr越高，表面钢材的耐蚀性能越好，本实施例制备耐蚀复合涂层后钢板表面的Icorr＝1×10-6A/cm2，Ecorr＝-0.3V，制备耐蚀复合涂层前钢板表面的Icorr＝1×10-5A/cm2，Ecorr＝-0.75V，说明本实施例在钢材表面制备的耐蚀复合涂层使钢材的耐蚀性能得到显著的提高。实施例2本实施例包括以下步骤：步骤一、利用超声波清洗机对钢板表面进行脱脂清洗，然后将脱脂清洗后的钢板置于电解液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为1A/dm2的条件下对所述钢板进行阴极活化处理；所述电解液为质量浓度为2.16％的盐酸溶液，所述阴极活化处理的时间为2min，所述脱脂清洗的时间为15min，所述钢板为1Cr17Ni2不锈钢板；步骤二、将步骤一中经阴极活化处理后的钢板置于镍电镀液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为2A/cm2的条件下对所述钢板表面进行电镀处理，清洗后干燥，得到表面具有镍过渡层的钢板；所述镍电镀液的温度为60℃，镍电镀液的pH值为4，电镀处理的时间为3h，所述镍电镀液的溶剂为水，镍电镀液中各组分的浓度为氨基磺酸镍300g/L，氯化镍50g/L，硼酸45g/L，十二烷基硫酸钠1g/L；步骤三、以金属钛粉为粉料，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa的氩气保护气氛下对步骤二中具有镍过渡层的钢板表面进行激光熔覆处理，在镍过渡层表面得到厚度约为0.73mm的钛表面层，然后将经激光熔覆处理后的钢板按3℃/min冷却速度冷却至室温22℃，在钢板表面制备得到耐蚀复合涂层；所述激光熔覆处理的激光功率为6015W，正离焦为15mm，送粉率为34g/min，扫描速度为30mm/s，搭接率为70％，激光熔覆处理中激光束输出前预通氩气5min～10min。本实施例在钢板表面制备得到了由厚度约为0.11mm的镍过渡层和厚度约为0.73mm的钛表面层构成的耐蚀复合涂层，该复合涂层结构致密平整，与基体结合良好，其中镍过渡层与钛表面层之间形成了冶金结合，结合强度较高；本实施例制备耐蚀复合涂层后钢板表面的Icorr＝1×10-8A/cm2，Ecorr＝-0.08V，制备耐蚀复合涂层前钢板表面的Icorr＝1×10-7A/cm2，Ecorr＝-0.3V，说明本实施例在钢材表面制备的耐蚀复合涂层使钢材的耐蚀性能得到显著的提高。实施例3本实施例包括以下步骤：步骤一、利用超声波清洗机对钢板表面进行脱脂清洗，然后将脱脂清洗后的钢板置于电解液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为1A/dm2的条件下对所述钢板进行阴极活化处理；所述电解液为质量浓度为10.4％的盐酸溶液，所述阴极活化处理的时间为1min，所述脱脂清洗的时间为15min，所述钢板为Q235钢板；步骤二、将步骤一中经阴极活化处理后的钢板置于镍电镀液中，以钢板为阴极，以钛板为阳极，在电流密度为3A/cm2的条件下对所述钢板表面进行电镀处理，清洗后干燥，得到表面具有镍过渡层的钢板；所述镍电镀液的温度为40℃，镍电镀液的pH值为5，电镀处理的时间为5h，所述镍电镀液的溶剂为水，镍电镀液中各组分的浓度为氨基磺酸镍400g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸钠0.8g/L；步骤三、以金属钛粉为粉料，采用同步送粉的方式，在气压为0.01MPa的氩气保护气氛下对步骤二中具有镍过渡层的钢板表面进行激光熔覆处理，在镍过渡层表面得到厚度约为1.42mm的钛表面层，然后将经激光熔覆处理后的钢板按2℃/min冷却速度冷却至室温23℃，在钢板表面制备得到耐蚀复合涂层；所述激光熔覆处理的激光功率为7426W，正离焦为12mm，送粉率为45g/min，扫描速度为30mm/s，搭接率为70％，激光熔覆处理中激光束输出前预通氩气5min～10min。本实施例在钢板表面制备得到了由厚度约为0.21mm的镍过渡层和厚度约为1.42mm的钛表面层构成的耐蚀复合涂层，该复合涂层结构致密平整，与基体结合良好，其中镍过渡层与钛表面层之间形成了冶金结合，结合强度较高；本实施例制备耐蚀复合涂层后钢板表面的Icorr＝1×10-7A/cm2，Ecorr＝-0.05V，制备耐蚀复合涂层前钢板表面的Icorr＝1×10-6A...