[发明专利]一种具备耐海洋生物污损功能的不锈钢涂层及其制备方法

说明书

本发明目的在于提供一种具备耐海洋生物污损的不锈钢涂层及其制备工艺，所述涂层对典型海洋细菌的抗菌率在24小时内可达到99.9％，抑制典型海洋藻类生物体繁殖及贴附行为，贴附比例低于2％。具备良好的海水环境磨蚀性能，摩擦系数低于0.6。所述涂层由304L不锈钢粉末、纯Cu粉末以及氧化铝粉末混合制备而成，通过控制粉体混合的速度与时间，冷喷涂的载气温度、喷涂距离、喷涂压力和送粉温度，获得具有耐海洋生物污损功能的涂层。本发明通过调整涂层的成分，提高涂层的耐腐蚀性能，起到对涂层中Cu离子释放量的调控，以满足临界Cu离子渗出率及其长期服役过程的稳定性。针对我国海洋环境中金属工程装备耐海洋生物污损涂层的研发瓶颈问题，提出有效的解决方案。

技术领域

本发明涉及耐海洋生物污损的涂层制备技术领域，具体为一种具有耐海洋生物污损功能的金属冷喷涂涂层及其制备工艺。该冷喷涂涂层可以广泛应用于海洋石油能源开采、海洋工程结构、海洋航行装备等涉及金属材料海洋生物污损影响的海洋环境领域。

背景技术

随着全球经济的迅猛发展和资源开采技术的进一步开发与应用，人类面临着越来越严重的能源危机。在这种情况下，占地球面积70％的海洋则逐渐成为各国科学家、政治家及经济学家所重视的新的“开发领域”。为了符合我国海洋经济的高质量发展规划，海洋钢铁材料已被大量用于制备油气平台、油气管线、船舶、码头、海水处理管系等，而金属材料表面极易发生细菌、藻类、贝类等海洋生物体附着和生长的现象，称之为海洋生物污损。首先，附着在金属表面的细菌形成生物膜，与金属基材形成能量供给关系，加速了海洋金属装备的腐蚀，此现象称之为微生物腐蚀(Microbiologically influenced corrosion，MIC)；此外，生物膜也成为了藻类、贝类等大型生物体的能量补给区，它们的附着导致了装备的运动性能降低，增加油耗；管路的堵塞导致设备停机，造成大量的经济损失。根据国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)统计，截至2020年，每年由重度生物污损造成的经济损失，仅船舶燃料的增耗可达2400亿美元。海洋生物污损对海洋装备设施的服役性能、可靠性及耐久性造成严重威胁。

目前，应用于海洋工程装备表面的防污技术是采用制备涂层的方法。现有涂层可分为防污释放型(～95％)和防污脱附型(～5％)。前者主要防污成分为氧化亚铜(Cu₂O)，通过在海水环境中快速释放Cu离子，持续杀灭污损生物，抑制海洋生物污损的形成，但是其机械性能差、维护周期短、重金属污染严重，已经被严格控制使用。后者，则是通过涂层的低表面能使海洋生物体不易附着，进而实现耐海洋生物污损的功能，但是其与基体的结合力差，且仅适用于高速运动的装备。

因此，对于防污释放型涂层，其在海洋环境中起到耐生物污损的功能与Cu离子的释放量有紧密的相关性。现有防污释放型涂层在投放初期的Cu离子释放量可达到65-80μg/cm²·d，高于抑制污损生物的Cu离子临界渗出率，造成海洋环境污染。而后期，涂层Cu离子释放量又会显著降低，难以起到耐海洋生物污损的作用。这种“瞻前不顾后”的海洋防污涂层导致了海洋工程装备维护成本极大地提高。Cu离子的渗出率会受到涂层基体材料的类型、服役环境因素以及航速的影响，因而通过调整涂层的基体类型可以有效地控制Cu离子的释放过程。

基于上述背景，开发一种新型的具备耐海洋生物污损功能的含Cu涂层，通过调整含Cu涂层的基体成分，提高涂层的耐腐蚀性能，起到对涂层中Cu离子释放量的调控，以满足临界Cu离子渗出率及其长期服役过程的稳定性。针对我国海洋环境中金属工程装备耐海洋生物污损涂层的研发瓶颈问题，提出有效的解决方案。

发明内容

为解决上述问题，我们提出采用喷涂方法制备具备耐海洋生物污损功能的不锈钢涂层的原创学术思路，以不锈钢作为涂层的基体，添加Cu及氧化铝粉体，采用冷喷涂工艺方法制备耐海洋生物污损的新型涂层。所述含Cu不锈钢冷喷涂涂层能够在24小时内，对典型海洋细菌的抗菌率可达到99.9％，能够抑制典型海洋藻类生物体繁殖及贴附行为，贴附比例低于2％。具备良好的海水环境磨蚀性能，摩擦系数低于0.6。