PDF《等离子喷涂 Li0.5Fe2.5O4防护涂层及其表征 *》

doi: 10.

11933/j.issn.1007?9289.2016.06.015 等离子喷涂Li0.5Fe2.5O4防护涂层及其表征* 祝志祥1 ,韩钰1 ,陈新1 ,马壮2 ,杨长龙3 ,张宏宇3 (1. 全球能源互联网研究院 a. 先进输电技术国家重点实验室,b. 电工新材料研究所,北京 102211;

2. 北京理工大学 材料学 院,北京 100081;

3. 国网辽宁省电力有限公司,沈阳 110004) 摘要: 以Li2CO3和Fe2O3粉末为原料,通过高温固相煅烧、喷雾造粒及热处理制备出纯净单相的Li0.5Fe2.5O4热喷涂粉 体,采用等离子喷涂技术在Q235钢表面沉积出Li0.5Fe2.5O4铁氧体涂层,并研究其微观组织结构、物理电气和耐腐蚀性 能.结果表明,热喷涂制备的Li0.5Fe2.5O4涂层表面致密均匀,平均孔隙率为4.1%,且与钢基体具有良好的界面结合, 结合强度平均值为27.6 MPa,涂层电阻率为2.14*10-5 Ω・m,且涂层耐电化学腐蚀性能良好,3.5% NaCl溶液介质中的平 均腐蚀速率约为0.003

7 mm/a,显示等离子喷涂制备的高质量Li0.5Fe2.5O4涂层可较好满足接地材料防护涂层对其耐蚀和 导电性方面的要求,可作为一种有效的腐蚀防护措施应用在传统钢质接地材料防腐工程中. 关键词: 等离子喷涂;

防护;

铁氧体;

接地材料 中图分类号: TG174.442;

TM27 文献标志码: A 文章编号: 1007?9289(2016)06C0107C06 Preparation and Characterization of Li0.5Fe2.5O4 Coatings by Plasma Spraying Process ZHU Zhi-xiang1 , HAN Yu1 , CHEN Xin1 , MA Zhuang2 , YANG Chang-long3 , ZHANG Hong-yu3 (1. a. State Key Lab of Advanced Power Transmission Technology, b. Institute of New Electrical Materials, Global Energy In- terconnection Research Institute, Beijing 102211;

2. School of Materials Science and Engineering, Beijing Institute of Tech- nology, Beijing 100081;

3. State Grid Liaoning Electric Power Supply Co. Ltd., Shenyang 110004) Abstract: High temperature solid state calcination, spray granulation and thermal treatment were employed to synthesize pure Li0.5Fe2.5O4 powders with Li2CO3 and Fe2O3 powders as raw materials. The Li0.5Fe2.5O4 ferrite coatings were prepared on the steel substrate via the plasma spraying technology. The phase and microstructure, physical and electrical properties, as well as corrosion resistance were studied. The results show that the surface of the coatings is dense and uniform with an average porosity of 4.1%. Additionally, the mean adhesion strength of the coating is 27.6 MPa, the resistivity of Li0.5Fe2.5O4 coating is about 2.14*10-5 Ω・m, and the electrochemical corrosion rate is about 0.003

7 mm/a in the 3.5% NaCl solution medium. The high-quality coatings can meet the requirements of corrosion resistance and conductivity for the grounding materials, which can be used as an effective protection measurement for the traditional steel grounding materials. Keywords: plasma spraying;

protection;

ferrite;

grounding materials

0 引言采用金属或合金防护涂层对钢铁构件和构筑 物进行长效防护,国外早在20世纪20年代就已开 始应用,主要有电镀或热浸镀锌涂层、氧-乙炔火 焰喷涂锌层发展到电弧喷涂锌铝合金防护涂层 等.对于交流接地网,除选用耐蚀性能好的接地 材料外,利用涂覆层的表面工程技术也是解决接 地装置腐蚀防护问题的较佳方案之一.传统热镀 收稿日期:2016-06-12;

修回日期:2016-11-06;

基金项目: *国家电网公司科技项目(5455DW120005, 5455DW150015) 通讯作者:祝志祥(1981―),男(汉),高级工程师,博士;

研究方向:电工新材料及应用技术;

Tel:(010)

6660 1561;

E-mail: [email protected] 网络出版日期:2016-12-14 15:49;

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3905.TG.20161214.1549.012.html 引文格式:祝志祥, 韩钰, 陈新, 等. 等离子喷涂Li0.5Fe2.5O4防护涂层及其表征[J]. 中国表面工程, 2016, 29(6): 107-112. ZHU Z X, HAN Y, CHEN X, et al. Preparation and characterization of Li0.5Fe2.5O4 coatings by plasma spraying process[J]. China Surface Engineering, 2016, 29(6): 107-112. 第29 卷第6期中国表面工程Vol.

29 No.

6 2016 年12 月CHINA SURFACE ENGINEERING December

2016 锌层在强腐蚀性土壤地区已越来越无法满足钢质 接地材料的防腐要求,寻找新型防护涂层近年来 逐渐受到电力行业的普遍关注[1-3] . 铁氧体是20世纪70年代发展起来的一种新型 难溶环保电极材料.热喷涂技术的发展为高性能 铁氧体涂层的制备及其在接地装置防腐工程中应 用奠定了良好基础[4-6] .采用铁氧体涂层作为交流 接地材料,除具备优良的耐土壤腐蚀性能外,同 时要求优良的导电性能,以保证杂散电流快速入地, 减小接地温升.铁氧体材料体系中,Li+ 离子半径 (~0.76 ?)比Fe2+ 离子半径(~0.83 ?)小,当Li+ 离子进 入反尖晶石结构中将使晶格参数变小,使氧与金 属离子的扩散变得更为困难,因此锂铁氧体具有 良好的耐腐蚀性能;

此外,据文献报道[7-10] ,利用 制备工艺及Li掺杂量的控制,锂铁氧体烧结块体 可实现较低的室温电阻率,可较好满足接地材料 对导电性的要求.因此,在前期关于铁氧体防腐 涂层研究基础上[11] ,为进一步改善钢基铁氧体涂 层的导电及耐蚀性能,文中采用成分为Li0.5Fe2.5O4 的锂铁氧体热喷涂粉体进行Q235钢基体上等离子 喷涂制备涂层材料的研究,分析表征了涂层的微 观组织结构、物理电气及耐电化学腐蚀性能,探 讨了高质量Li0.5Fe2.5O4涂层制备工艺控制及利用其 进行传统钢质接地材料本体防护的技术可行性.

1 试验准备 1.1 热喷涂粉体制备 将Q235碳钢基体材料机加工成规格为Φ

25 mm*

8 mm的圆柱试样和Φ

14 mm*200 mm的圆棒试 样,其中圆柱试样用于涂层结合强度的测试,圆 棒试样用于涂层结合性(参考UL 467标准[12] )、电阻 率和电化学加速腐蚀试验.喷涂粉末由高温固相 煅烧法制备的Li0.5Fe2.5O4粉末经喷雾造粒后制成. 纳米级原料粉Li2CO3(分析纯,粒径10~50 nm)和Fe2O3(工业级,粒径50~100 nm)按1∶5的摩尔比例 在大气环境经双搅拌混料机混合均匀. 利用去离子水将混合后原料粉润湿并制成直 径5~10 mm的小球,以减少在高温煅烧时原料粉 内外温度差,确保所有粉体受热均匀.将小球置 于电热鼓风干燥箱中150 ℃下干燥6 h充分去除水 分;

干燥后的粉末置于N2保护气氛电阻炉中煅 烧,煅烧温度1

100 ℃,保温时间2 h,并放置在 铜板夹层中快速冷却;

煅烧完成后,原料粉末会 保持直径为5~10 mm的小球结构,利用破碎机将 原料振荡破碎成微米级的颗粒以满足喷雾造粒对 粉体粒径的要求.以去离子水为分散剂,聚乙烯 醇(PVA)为粘结剂,将其与振荡破碎后的Li0.5Fe2.5O4 粉末按表1配比放入球磨罐中球磨,将球磨6 h后 获得的成分均匀、粘稠度适中的浆料送入喷雾造 粒塔,喷雾干燥制成球形团聚Li0.5Fe2.5O4粉体,主........