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  2. 冷噴涂純鋁涂層耐腐蝕性能研究
    2017-01-22 16:42:20 作者:本網(wǎng)整理 來源:網(wǎng)絡(luò) 分享至:

        鋼鐵、 鋁合金及鎂合金等金屬材料在海洋氣候中面臨著嚴(yán)重的腐蝕問題,其疲勞性能顯著下降,大大降低相關(guān)構(gòu)件的使用壽命, 甚至造成災(zāi)難性事故, 因此海洋環(huán)境下的材料腐蝕與耐久性值得高度重視。純鋁材料作為抗腐蝕涂層,不僅具有隔離腐蝕介質(zhì)的作用, 而且在電化學(xué)腐蝕過程中還是鋼鐵基體的陽極性材料, 因此廣泛應(yīng)用于鋼鐵構(gòu)件的腐蝕防護(hù)。國內(nèi)外大多采用火焰噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂等熱噴涂技術(shù)制備純鋁涂層,并在海洋防腐工程中廣泛應(yīng)用。 但熱噴涂由于熱輸入量較大,噴涂材料容易發(fā)生氧化、燒損及相變等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響涂層的結(jié)合強(qiáng)度、致密性及耐腐蝕等性能,同時(shí)對基體也有不良的熱影響。冷噴涂技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新型噴涂技術(shù), 與熱噴涂相比, 冷噴涂通過超音速氣體動力將細(xì)小粉末加速至臨界速度沖擊基體, 粉末顆粒發(fā)生劇烈塑性變形后與基體結(jié)合形成涂層。冷噴涂技術(shù)具有加熱溫度低、 涂層致密、 結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn), 極其適合于鋁、鋅等防腐涂層的制備。


        本文針對特種裝備零部件在海洋環(huán)境下的腐蝕問題,采用冷噴涂技術(shù)制備純鋁涂層,探討純鋁涂層的耐腐蝕性能及其影響因素, 為冷噴涂技術(shù)在海洋防腐方面的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

     

        1 實(shí)驗(yàn)

     

        1.1 材料

     

        基體材料為 30CrMnSiA,化學(xué)成分見表 1,試樣尺寸為 30 mm×20 mm×5 mm。冷噴涂材料選用由北京礦冶研究總院提供的純鋁粉。 鋁粉顆粒以球形為主,純度為 99.99%以上,粒度為 30~50 μm,粉末形貌如圖 1 所示。

     

    1

     

        1.2 方法

     

        1.2.1 試樣制備

     

        噴涂前, 基體使用 200~500 μm 的氧化鋁砂粒進(jìn)行噴砂處理。實(shí)驗(yàn)采用低壓冷噴涂系統(tǒng)進(jìn)行涂層制備,為了得到致密性高的涂層,首先進(jìn)行了制備工藝參數(shù)的優(yōu)化,涂層制備工藝設(shè)計(jì)方案如表 2。

     

    2

     

        1.2.2 微觀形貌觀察

     

        采用 OLYMPUS-BX60M 型光學(xué)金相顯微鏡觀察 涂 層 的 金 相 組 織 并 測 量 涂 層 厚 度 。 采 用Quanta200 型環(huán)境掃描電鏡對涂層表面形貌進(jìn)行觀察。采用 DX-2500 型 X 射線衍射儀對涂層的物相進(jìn)行分析。利用 Scandium 軟件對涂層孔隙率進(jìn)行分析。


        1.2.3 電化學(xué)測試

     

        采用 Autolab 電化學(xué)工作站測試涂層試樣的動電位極化曲線,介質(zhì)為 5%NaCl 溶液,掃描范圍為-0.5~0.5 V(vs.OCP),掃描速率為 20 mV/min,試樣工作面積為 1 cm 2 ,測試溫度為室溫。


        1.2.4 耐腐蝕性能測試

     

        在JY-60型鹽霧試驗(yàn)機(jī)內(nèi)按GB/T 10125— 2012方法進(jìn)行中性鹽霧實(shí)驗(yàn),試驗(yàn)溶液為 5%的 NaCl 溶液,試驗(yàn)溫度為 35 ℃,鹽霧 pH 值為 6.5~7.2。

     

        2 結(jié)果與討論

     

        2.1 涂層微觀形貌及物相

     

        圖 2 是不同工藝參數(shù)制備的冷噴涂涂層橫截面形貌。是不同工藝參數(shù)制備的冷噴涂涂層橫截面形貌。在冷噴涂過程中,粉末粒子經(jīng)高速撞擊后發(fā)生了劇烈的塑性變形而沉積,先沉積的粒子受到后續(xù)粒子的撞擊作用形成微鍛結(jié)合,使涂層與基體之間及涂層與涂層之間的結(jié)合更加牢固,在這種沉積機(jī)理下,冷噴涂能夠得到極為致密的涂層。 由圖 2 可以看出, 涂層與基體的結(jié)合處十分致密,No.1—No.4 涂層的孔隙率分別為 13.7%、8%、1.6%及 0.5%,可見,隨著噴涂溫度和壓力的不斷提高,涂層的致密度不斷增加。通過測量,涂層厚度均在 300 μm 左右。致密完整的涂層能夠有效隔絕腐蝕介質(zhì)從外部環(huán)境向基體擴(kuò)散,可提高材料的耐腐蝕性能。

     

    3

     

        圖 3 是不同冷噴涂涂層試樣的微觀表面形貌。從圖 3 可以看出, 所有涂層的相鄰純鋁粒子緊密結(jié)合,粒子變形充分,粉末粒子未發(fā)生熔化,互相之間以機(jī)械結(jié)合為主, 且沒有裂紋、 分層等現(xiàn)象存在,但涂層的致密性存在較大差異。 No.1、 No.2 和 No.3試樣微觀下可以看到較多孔隙, 這些孔隙的存在能夠成為腐蝕介質(zhì)的快速通道, 腐蝕介質(zhì)穿過孔隙到達(dá)涂層內(nèi)部或涂層與基體界面,加速涂層的失效,降低其耐腐蝕性能。No.4 涂層幾乎看不到微小孔洞的存在,具有良好的完整性,能夠有效隔絕腐蝕介質(zhì)腐蝕基體。


    4

     

        圖4是No.1—No.4鋁涂層的XRD衍射分析曲線。結(jié)果表明,鋁涂層中的物相主要為 Al,涂層中均未檢測到氧化物,說明在冷噴涂過程中鋁粒子未發(fā)生氧化。在鋁粒子沉積過程中,即使表面發(fā)生一定的氧化,后續(xù)粒子的高速沖擊作用也會將已沉積涂層表面的非致密氧化膜破壞,確保涂層表面能夠形成較為致密完整的氧化膜層,進(jìn)而提高膜層的耐腐蝕性能。因此,本研究采用 No.4 工藝方案進(jìn)行純鋁涂層的制備,并對其耐腐蝕性能進(jìn)行測試。

     

    5

     

        2.2 純鋁涂層電化學(xué)腐蝕性能

     

        冷噴涂純鋁涂層在不同中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間后的動電位極化曲線如圖 5a, 可以看出, 不同腐蝕時(shí)間后,純鋁涂層的自腐蝕電位在-0.9 V 左右波動。隨著鹽霧試驗(yàn)的不斷進(jìn)行,極化電流密度逐漸降低,說明純鋁涂層的腐蝕速率是不斷降低的。1440 h 后,純鋁涂層的腐蝕速率為 4.935×10 -7  A/cm 2 。圖 5b 是純鋁涂層在不同中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間后的交流阻抗譜曲線,可以看出,72 h 后純鋁涂層表現(xiàn)出高頻圓弧加低頻斜線的阻抗特征, 此階段不斷生成鈍化膜。 隨著腐蝕的進(jìn)行,阻抗特性以容抗弧為主,此時(shí)腐蝕介質(zhì)中的 Cl - 不斷穿透鈍化膜到達(dá)內(nèi)部涂層,內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物逐漸堵塞孔隙,形成自封閉作用,阻抗趨于穩(wěn)定。阻抗降低并趨于穩(wěn)定后,由于涂層表面被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,受到表面鈍化膜的保護(hù)及鋁涂層的陰極保護(hù)作用,故涂層整體的耐腐蝕性能并無明顯降低。

     

    6

     

        2.3 涂層耐中性鹽霧腐蝕性能

     

        圖 6 是冷噴涂涂層試樣在不同時(shí)間中性鹽霧試驗(yàn)后的宏觀表面形貌。中性鹽霧試驗(yàn)前,冷噴涂涂層試樣的表面均勻完整,無裂紋(見圖 6a)。鹽霧試驗(yàn) 72 h 后,涂層表面形成鈍化膜層,無明顯腐蝕產(chǎn)物存在。480 h 后,涂層的耐腐蝕性能仍較為優(yōu)異,表面未發(fā)生明顯腐蝕。960 h 后,涂層表面略顯疏松,表面出現(xiàn)均勻細(xì)小的腐蝕凹坑。1440 h 后,涂層仍保持較為完整,未發(fā)生明顯腐蝕。

     

    8

    圖 6 不同時(shí)間中性鹽霧試驗(yàn)后純鋁涂層試樣的宏觀表面形貌
    Fig.6 Macro-morphology of pure Al coated samples after 0 h, 72 h, 480 h, 960 h and 1440 h neutral salt spray test

     

        圖 7 是冷噴涂純鋁涂層試樣在不同時(shí)間中性鹽霧試驗(yàn)后的微觀表面形貌。從 72 h 后的涂層微觀表面形貌可以看出, 涂層的微觀形貌與原始狀態(tài)相比,未發(fā)生明顯變化,表面仍較致密,無腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。480 h 后,涂層表面出現(xiàn)了一定數(shù)量的黑色凹坑, 這主要是由局部區(qū)域腐蝕造成的。 960 h后,黑色凹坑的數(shù)量進(jìn)一步增多,相鄰粒子的結(jié)合強(qiáng)度下降, 這也是導(dǎo)致涂層宏觀表面疏松的主要原因。1440 h 后,涂層表面凹坑數(shù)量沒有繼續(xù)增加,腐蝕過程趨于穩(wěn)定。 綜合宏觀、 微觀表面形貌分析,致密的純鋁涂層可以有效隔絕腐蝕介質(zhì), 同時(shí)在表面鈍化膜防護(hù)及腐蝕產(chǎn)物的封閉作用下, 涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,雖然發(fā)生一定的腐蝕,但腐蝕速率較小, 表面質(zhì)量良好, 可以作為長效防腐涂層。

     

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    圖 7 不同時(shí)間中性鹽霧試驗(yàn)后純鋁涂層試樣微觀表面形貌
    Fig.7 Micro-morphology of pure Al coated samples after 72 h, 480 h, 960 h and 1440 h neutral salt spray test

     

        3 結(jié)語

     

        1) 在噴涂溫度為 500 ℃、 噴涂壓力為 1.2 MPa、噴涂距離為 25 mm 及工作氣體為氮?dú)獾墓に嚄l件下,純鋁涂層孔隙率為 0.5%,涂層十分致密。


        2)冷噴涂純鋁涂層中的鋁粒子不發(fā)生氧化,保證了較好的電化學(xué)腐蝕防護(hù)能力,腐蝕速率緩慢,1440 h 后的腐蝕速率為 4.935×10 -7  A/cm 2 ,具有較好的耐腐蝕性能。


        3)冷噴涂純鋁涂層具有優(yōu)異的耐中性鹽霧腐蝕性能,中性鹽霧試驗(yàn) 1440 h 后無腐蝕,可以為鋼鐵材料提供長效防護(hù)。

     

     

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