冷喷涂铝涂层表面特性表征及其腐蚀行为研究

论文摘要

海洋环境中,船舶的内舱和舷外结构、海洋平台和港工设施的潮差、飞溅及大气段均存在着严重的腐蚀问题,喷涂金属防护涂层技术是目前国际上解决海洋环境中钢结构长效防护的重要手段,Al涂层在海洋环境中具有良好的抗腐蚀性能,作为防腐涂层具有广阔的应用前景。冷喷涂是近年发展起来的一种新型喷涂工艺,粒子在温度远低于喷涂材料熔点的固态下以较高的速度（300～1000 m/s）撞击基体,通过发生塑性变形而沉积形成涂层。本文运用冷喷涂工艺制备Al涂层,通过均匀设计软件优化涂层制备工艺参数,运用各种分析测试方法研究涂层的表面特性及其在海洋环境中的腐蚀性能,并与热喷涂铝涂层进行了对比研究,为制备高性能的金属铝涂层及其应用提供一定的理论基础。论文从冷喷涂Al涂层的制备工艺参数入手,通过均匀设计软件设计不同制备工艺参数的七种涂层,根据涂层外观、涂层厚度、显微硬度和孔隙率这四项性能对工艺参数进行优化回归,得出涂层制备工艺参数为:载气温度250℃;载气压力2.0 MPa;喷涂距离25mm;进粉速率1.6g/s。对采用优化工艺参数制备的冷喷涂Al涂层进行表面特性分析,经扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）表明喷涂粒子之间通过高速碰撞产生的强烈塑性变形而结合在一起,喷涂粒子由原来的类球形变成了细长的条状,粒子与粒子之间结合的非常紧密;XRD分析表明,涂层中未发现氧化物相的峰,冷喷涂过程中未发生明显氧化,喷涂粒子的高速冲击使得粒子的晶粒尺寸细化;对涂层显微硬度测试表明,由于喷涂粒子的喷丸强化作用冷喷涂铝涂层的显微硬度明显高于热喷涂铝涂层,涂层的显微硬度表现出由表面向基体逐渐增大的趋势;对涂层孔隙率的分析表明,冷喷涂Al涂层的孔隙率为1.9%,不存在贯穿到基体的孔隙;拉伸试验表明,冷喷涂Al涂层涂层之间（内部）的结合强度比涂层与基体之间高,涂层主要依靠粒子的塑性变形与基体形成结合。对浸泡在海水中的涂层进行腐蚀电位、线性极化、交流阻抗和动电位极化等腐蚀电化学性能测试,并结合扫描电镜和超声波显微镜分析其微观形貌。扫描电镜和超声波显微镜分析结果表明,冷喷涂铝涂层没有明显的贯穿到基体的孔隙存在,涂层表面腐蚀均匀,腐蚀产物致密的覆盖在涂层表面;对腐蚀电位的研究表明,冷喷涂铝涂层在海水中的腐蚀电位为-0.8VSCE左右,与铝块材在海水中的腐蚀电位相近;对线性极化曲线的研究表明,冷喷涂铝涂层的线性极化电阻随浸泡时间的增加迅速增大,表现出与铝块材相近的耐腐蚀性能;对交流阻抗的研究表明,冷喷涂Al涂层表面在空气中生成的氧化膜并不能有效阻止涂层的腐蚀,涂层主要依靠生成的腐蚀产物阻碍腐蚀介质的扩散,涂层阻抗谱在海水中浸泡240h后出现较为明显的扩散现象;对动电位极化曲线的研究表明,冷喷涂铝涂层的自腐蚀电流密度随着浸泡时间的增加快速降低,涂层表面致密的腐蚀产物造成涂层阳极极化率升高。为了进一步研究涂层在海洋环境中的耐腐蚀性能,进行了200h中性盐雾腐蚀试验及90d海洋大气腐蚀试验,结果表明,在试验周期内,冷喷涂Al涂层和热喷涂Al涂层均可对Q235钢基体提供有效的保护,但冷喷涂Al涂层的腐蚀速度更低,其腐蚀速度随腐蚀时间的延长快速下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1. 文献综述
• 1.1 冷喷涂技术
• 1.2 冷喷涂铝涂层性能表征方法
• 1.3 冷喷涂铝涂层的应用现状及展望
• 1.4 本文研究目的
• 2. 试样制备及设备
• 2.1 试样的制备
• 2.2 试验仪器及方法
• 3. 冷喷涂铝涂层制备工艺参数的优化
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法及目的
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 不同工艺参数制备的冷喷涂铝涂层的形貌对比
• 3.3.2 不同工艺参数制备的冷喷涂铝涂层的组织结构对比
• 3.3.3 不同工艺参数制备的冷喷涂铝涂层的物理、机械性能对比
• 3.4 冷喷涂铝涂层工艺参数的优化
• 3.5 小结
• 4. 冷喷涂铝涂层表面特性的表征
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法及目的
• 4.3 试验结果与讨论
• 4.3.1 冷喷涂铝涂层的形貌分析
• 4.3.2 冷喷涂铝涂层的组织结构分析
• 4.3.3 冷喷涂铝涂层的物理、机械性能分析
• 4.4 小结
• 5. 冷喷涂铝涂层腐蚀电化学行为的研究
• 5.1 引言
• 5.2 研究方法及目的
• 5.3 试验结果与讨论
• 5.3.1 涂层腐蚀形貌及能谱分析
• 5.3.2 涂层腐蚀后超声波扫描显微镜研究
• 5.3.3 海水中涂层电化学行为的研究
• 5.4 小结
• 6. 海洋大气环境中冷喷涂铝涂层腐蚀性能的研究
• 6.1 引言
• 6.2 研究方法及目的
• 6.3 试验结果与讨论
• 6.3.1 中性盐雾加速腐蚀试验
• 6.3.2 海洋大气腐蚀试验
• 6.4 小结
• 7.结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表的学术论文