电力金具抗磨蚀涂层处理技术研究进展

1. 引言

电力金具作为输电线路中的关键部件，其主要功能是连接、固定和支撑电力设备，确保电力系统的安全、稳定运行。然而，电力金具在长期运行过程中，往往会受到机械磨损、腐蚀以及环境因素的多重影响，导致其性能下降甚至失效。因此，提高电力金具的抗磨蚀性能一直是材料科学和电力工程领域的研究热点。近年来，随着表面工程技术、材料复合技术以及先进制造技术的快速发展，电力金具抗磨蚀研究取得了显著进展。本文将综述国内外该领域的研究成果，并结合当前技术发展趋势，探讨未来的研究方向。

2. 电镀合金涂层的研究进展

电镀合金涂层是提高电力金具耐磨蚀性能的传统且有效的方法之一。通过在基体表面镀覆一层具有优异性能的合金涂层，可以显著改善电力金具的表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性。B. Veeraraghavan等[1] 对无电解Ni-Zn-P 合金涂层与电镀Zn-Ni 和Cd 涂层进行了系统的对比研究，结果表明，无电解Ni-Zn-P 合金涂层在耐腐蚀性方面表现出色，尤其是在酸性环境中的抗腐蚀性能优于传统的 Zn-Ni和 Cd 涂层。此外，Ni-Zn-P 合金涂层还具有良好的机械性能和较低的氢渗透率，这对于电力金具在潮湿环境中的长期稳定性尤为重要。这种涂层的优异性能主要归因于其非晶态结构，能够有效抑制腐蚀介质的扩散，从而提高涂层的耐腐蚀性能。

魏子栋等 [2] 则专注于电沉积 Zn-Ni 合金的耐蚀性研究。通过中性盐雾试验对比 Zn-Ni 合金涂层与传统镀锌层的耐腐蚀性能，结果表明，Zn-Ni 合金涂层的腐蚀速率明显低于镀锌层，且在腐蚀过程中表现出更均匀的腐蚀形貌。这表明Zn-Ni合金涂层在实际应用中能够有效延长电力金具的使用寿命。此外，研究还发现，电沉积过程中电流密度的控制对 Z_n -Ni 合金涂层的耐蚀性有显著影响，适当的电流密度能够优化涂层的微观结构，从而进一步提高其耐腐蚀性能。

3. 激光表面处理技术的应用

激光表面处理技术是近年来在电力金具抗磨蚀研究中迅速发展的一种先进表面工程技术。该技术利用高能量密度的激光束对材料表面进行快速加热和冷却，从而实现表面改性、合金化或相变硬化等效果。与传统表面处理技术相比，激光表面处理具有快速、高效、可控性强且对基体热影响小等优点，特别适用于电力金具等复杂形状部件的表面处理。

Dos Reis 等 [3] 研究了激光表面氮化对 Ti-6Al-4V 合金的蠕变行为和表面特性的影响，经过激光氮化处理后，钛合金的表面硬度显著提高，同时其蠕变性能也得到了改善。这表明激光氮化不仅能够提高材料的耐磨性，还能增强其在高温环境下的稳定性。此外，激光氮化处理后钛合金表面形成的富含氮化物的硬质层能够有效抵抗磨损和腐蚀，从而延长电力金具的使用寿命。

Hamad 等 [4] 则通过响应面分析法研究了激光氮化对纯钛表面硬化的影响，系统分析了激光功率、扫描速度和氮气流量等工艺参数对表面硬度和耐磨性的影响，并建立了相应的数学模型。结果表明，通过优化激光氮化工艺参数，可以显著提高纯钛表面的硬度和耐磨性，为激光氮化技术在电力金具表面处理中的应用提供了重要的理论依据。

激光合金化技术也在电力金具抗磨蚀研究中得到了广泛应用。张伟等[5] 研究了 40Cr 钢表面激光合金化技术在螺杆强化中的应用。通过在 40Cr 钢表面添加合金元素，利用激光束的高能量实现合金元素的快速扩散和均匀分布，从而形成了一层具有优异耐磨性的合金化层。研究表明，激光合金化处理后的 40Cr 钢表面硬度显著提高，耐磨性也得到了显著改善。此外，激光合金化技术还具有操作灵活、可局部处理的优点，特别适用于电力金具等复杂形状部件的表面强化。

4. 复合涂层的研究进展

复合涂层是近年来在电力金具抗磨蚀研究中迅速发展的一种新型涂层技术。复合涂层通过在基体表面复合多种材料，结合不同材料的优异性能，从而实现更高的耐磨蚀性能和多功能性。与单一涂层相比，复合涂层具有更好的综合性能，能够满足电力金具在复杂环境下的使用需求。

Pompei 等 [6] 研究了镍基氮化硼（BN）复合涂层的电沉积工艺。通过在镍基涂层中添加氮化硼颗粒，制备了一种具有优异耐磨性和自润滑性能的复合涂层。研究表明，氮化硼颗粒的加入显著提高了涂层的硬度和耐磨性，同时其自润滑性能也得到了显著改善。这种复合涂层特别适用于电力金具在高负荷、低润滑场景下的应用，能够有效减少磨损和摩擦热的产生，从而延长电力金具的使用寿命。

Uysal 等 [7] 则通过无电解共沉积技术制备了 Ag/ 石墨烯 /WC 复合涂层。他们将银 (Ag)⋅p ）、石墨烯和碳化钨（WC）三种材料复合在一起，形成了一种具有优异耐磨性和减摩性能的复合涂层。研究表明，石墨烯的加入显著提高了涂层的韧性和自润滑性能，而碳化钨颗粒则进一步提高了涂层的硬度和耐磨性。此外，银的加入还赋予了涂层良好的导电性和抗静电性能，这对于电力金具在高电压环境下的应用具有重要意义。

5. 国内研究困境

国内在电力金具抗磨蚀研究方面也取得了一定的成果，但多集中在实验室阶段，对于大规模工程化应用的探索相对较少，在整体研究水平和应用推广上与国际先进水平存在一定差距。此外，在新型材料和先进工艺的开发上，国内研究的创新性和前瞻性也有待进一步提升。

以刘冠辰 [8] 的研究为例，其对特高压输电线路 U 型挂环的耐磨性能研究主要集中在表面硬化处理上，虽然取得了一定的成果，但在复合涂层和多功能涂层的开发上仍处于起步阶段。相比之下，国际上已经开展了大量关于纳米复合涂层和自润滑涂层的研究，并在一些领域实现了工程化应用。这表明国内在新型涂层材料的研究和应用上需要进一步加强。

同时，国内在激光表面处理技术的研究中，虽然已经取得了一些理论和实验成果，但在设备的自主研发和工艺优化方面仍相对滞后。例如，高镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面激光合金化技术的研究[9]，虽然证明了激光合金化能够显著提高轧辊的耐磨性，但在实际应用中，激光设备的进口依赖度较高，且工艺参数的优化仍需进一步探索，不仅限制了技术的推广，也增加了应用成本。

在复合涂层的研究方面，国内的研究多集中在材料的复合和涂层的制备工艺上，而对于涂层的长期稳定性、耐久性以及在复杂环境下的性能研究相对不足。例如，于慧君等 [10] 提出的钛合金表面多元激光合金化层的制备方法，虽然在实验室条件下表现出优异的耐磨性和耐腐蚀性，但在实际应用中，涂层的结合强度、抗疲劳性能以及在高湿度、高盐雾环境下的稳定性仍需进一步验证。

综上所述，国内在电力金具抗磨蚀研究方面已经取得了一定的成果，但在新型材料的开发、先进工艺的优化以及工程化应用的推广上仍面临诸多挑战。基于现有研究进展，国内外尚无针对电力金具的 ZnNi 合金沉积、复合沉积及激光合金化技术的系统性研究，更未见兼顾金具耐蚀性与抗摩擦磨损性能的一体化技术。因此，未来的发展方向可以聚焦于 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积与激光合金化技术的有机融合，以开发出能够同时满足电力金具耐蚀性和耐磨性需求的表面处理技术。

6. 未来发展方向

6.1 ZnNi 合金沉积技术的研究现状与展望

ZnNi 合金镀层因其优异的耐蚀性能和良好的机械性能，已成为电力金具表面处理的重要研究方向之一。研究表明，ZnNi 合金镀层在中性盐雾试验中的腐蚀速率远低于传统镀锌层，且其硬度和耐磨性也得到了显著提升[11]。许爱忠等人[12] 的研究指出，ZnNi 合金镀层的耐蚀性主要源于其形成的致密氧化膜，这种氧化膜能够有效阻止腐蚀介质的渗透。

然而， ZnNi 合金镀层在实际应用中仍存在一定局限性。例如，其摩擦系数较高，将导致动态磨损条件下耐磨性能受限。此外，传统电镀工艺的复杂性和环境影响也限制了其大规模应用。因此，可尝试开发多元复合沉积技术，通过在ZnNi 合金镀层中引入自润滑微粒（如六方氮化硼、石墨烯等），进一步优化镀层的摩擦学性能[13]。

6.2 多元复合沉积技术的发展趋势

多元复合沉积技术通过在基体表面复合多种材料，能够显著提高电力金具的耐磨蚀性能。近年来，多元复合电沉积技术取得了显著进展。例如，通过在 ZnNi 合金镀层中添加纳米颗粒（如氮化硼、碳化硅等），可以制备出具有优异耐磨性和自润滑性能的复合镀层。这种复合镀层不仅提高了表面硬度，还通过微粒的弥散强化作用进一步降低了摩擦系数 [14]。

此外，多元复合沉积技术还可以通过调控微粒的种类和含量，实现对镀层性能的定制化。例如，添加超硬微粒（如立方氮化硼、金刚石）可以进一步提高镀层的耐磨性，而添加自润滑微粒则可以降低摩擦系数。这种技术的灵活性为电力金具在不同应用场景中的性能优化提供了可能。

6.3 激光合金化技术的应用前景

激光合金化技术作为一种先进的表面处理技术，能够通过激光束的高能量实现合金元素的快速扩散和均匀分布，从而在电力金具表面形成一层具有优异耐磨蚀性能的合金化层。研究表明，激光合金化处理后的电力金具表面硬度显著提高，耐磨性和耐腐蚀性也得到了显著改善。

然而，激光合金化技术在电力金具中的应用仍面临一些挑战。例如，激光设备的成本较高，且工艺参数的优化较为复杂。此外，激光合金化技术与传统电镀技术的结合仍处于探索阶段，迫切需要集中开发更加高效、低成本的激光设备，并探索激光合金化技术与 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积的有机融合。

6.4 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积与激光合金化技术的有机融合

目前，电力金具的表面处理技术多以单一工艺为主，难以同时满足耐蚀性和耐磨性的双重需求。后续，电力金具表面涂层制备技术的优化可聚焦于 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积与激光合金化技术的有机融合。这种一体化技术可以通过以下方式实现：

（1）ZnNi 合金沉积与多元复合沉积的结合：通过在ZnNi 合金镀层中引入自润滑微粒和超硬微粒，制备出具有优异耐磨性和自润滑性能的复合镀层。

（2）激光合金化技术的协同应用：利用激光合金化技术对复合镀层进行后处理，进一步提高表面硬度和耐磨性。

（3）一体化加工方法的开发：通过优化工艺参数，实现 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积与激光合金化的无缝衔接，开发出适用于电力金具的高效表面处理技术。

该一体化技术不仅能够显著提高电力金具的耐磨蚀性能，还能通过优化工艺降低生产成本，具有广阔的应用前景。

7. 结论

目前，电力金具的耐磨蚀性能仍面临诸多挑战，而 ZnNi 合金沉积、多元复合沉积与激光合金化技术的有机融合为解决这一问题提供了新的思路。通过开发一体化加工方法，优化工艺参数，降低生产成本，推动工程应用，可实现电力金具在耐蚀性和耐磨性方面的全面提升，为电力系统的安全运行提供有力保障。

参考文献

[1] B. Veeraraghavan, H. Kim, B. Haran. Comparison of Mechanical, Corrosion, and HydrogenPermeation Properties of Electroless Ni-Zn-P Alloys with Electrolytic Zn-Ni and Cd Coatings[J].Corrosion, 2003. DOI: 10.1109/18.532888.

[2] 魏子栋 , 董海文 . 电沉积 Zn—Ni 合金的耐蚀性研究 [J]. 腐蚀与防护 , 1996, 17(5): 3.DOI:CNKI: SUN: FSYF.0.1996-05-003.

[3] Dos Reis, Adriano Gonçalves, et al. Creep behavior and surface characterization of a laser surfacenitrided Ti-6Al-4V alloy. Materials Science and Engineering, A 577 (2013): 48-53.

[4] Hamad, A. R., et al. Surface hardening of commercially pure titanium by laser nitriding: Responsesurface analysis. Advances in engineering software, 41.4 (2010): 674-679.

[5] 张伟 , 姚建华 . 40Cr 钢表面激光合金化及其在螺杆强化中的应用 [J]. 金属热处理 , 2007,32(11): 59-61.

[6] Pompei, E., et al. Electrodeposition of nickel-BN composite coatings. Electrochimica Acta, 54.9(2009): 2571-2574.

[7] Uysal M, Akbulut H, Tokur M, et al. Structural and sliding wear properties of Ag/Graphene/WChybrid nanocomposites produced by electroless co-deposition[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016,654185-195.

[8] 刘冠辰 . 特高压输电线路 U 形挂环—调整环耐磨性能研究[D]. 北京: 华北电力大学 , 2016.

[9] 孙桂芳 , 刘常升 , 陶兴启 , 等 . 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊表面激光合金化的研究 [J]. 东北大学学报 ( 自然科学版 ), 2008, 29(6):4.DOI:10.3321/j.issn:1005-3026.2008.06.022.

[10] 于 慧 君 , 李 伟 , 陈 传 忠 . 一 种 钛 合 金 表 面 多 元 激 光 合 金 化 层 及 其 制 备 方 法 .CN201410220123.6.

[11] 张英杰 , 董鹏 , 范云鹰 . Zn-Ni 合金镀层沉积机理及腐蚀机理研究进展 [J]. 材料保护 ,2007,40(11):45-48. DOI:10.3969/j.issn.1001-1560.2007.11.016.

[12] 许爱忠 , 胡文彬 , 沈斌 , 等 . 锌 - 镍合金镀层耐蚀机理研究进 [J]. 电镀与环保 .2000,(3).DOI:10.3969/j.issn.1000-4742.2000.03.001.

[13] 郭忠诚, 朱晓云, 杨显万. 电沉积法制备多功能复合材料研究动态与发展趋势. 中国工程科学.2004, 6(4): 86-94.

[14] 吴珂 . 脉冲电沉积多元 Cu-Sn 基复合镀层的制备及性能研究 [D]. 黑龙江 : 哈尔滨工程大学 ,2016. DOI:10.7666/d.D01106147.