针对飞溅区腐蚀防护的冷喷涂涂层制备及性能研究

摘要

海洋环境是极其恶劣的，主要对海上钢结构构筑物（如舰船、海洋平台、港工设施等）产生严重腐蚀，尤其是飞溅区的腐蚀最为严重。目前海洋防腐蚀措施中采用金属涂层是最为有效的手段，较为常用的是Al及Al-Zn涂层，该类涂层在海洋环境下能够达到将腐蚀介质与基体隔离作用，并且能作为一种阳极涂层来保护钢材不受侵蚀，因此具有着广阔的应用前景。
　　本文采用CFD软件优化喷嘴尺寸参数，通过优化确定喷嘴喉部直径为4mm，扩张段长度为70mm,在选择不同出口直径的计算对比发现，当出口直径为8mm，扩张比为4时，气流速度达到最优，喷嘴内及外部气流速度平稳，无明显的激波产生。计算结果表明:喷嘴扩张长度段越长，粒子到达出口时的速度越大，并能在一定程度上限制粒子的发散程度。
　　本研究中，通过冷喷涂制备了Al、Al-Zn、Al-Al2O3、Al-Zn-Al2O3不同成分的涂层。研究表明，选择粒度较小的粉末所制备的涂层致密度更高，粒子发生的变形程度更剧烈，涂层表面具有相对较低的粗糙度;对冷喷涂Al-Zn复合涂层而言，在涂层中掺入的Zn含量比例愈大，涂层表面更平整，厚度更均匀，孔隙率更低。结果还表明，掺入Zn会提高涂层的硬度，但随着粉末中Zn比例的增加，粉末粒子的沉积效率却明显降低;当掺入一定比例的Al2O3颗粒，Al颗粒产生了更充分的变形，但是涂层中出现少量Al2O3颗粒破碎情况，从涂层的整体来看，除了Al2O3颗粒造成的缺陷外，涂层孔隙率较低。
　　通过金相显微镜观察腐蚀后的涂层，结果表明:三种涂层表面均发生了不同程度严重腐蚀，冷喷涂Al涂层有效地隔离了腐蚀介质渗透到涂层与基体交界处，冷喷涂Al-50％Zn涂层发生腐蚀的区域集中在涂层表面，基体处仍完好无损，而冷喷涂Al-50％Al2O3涂层发生腐蚀的区域较多。从涂层的腐蚀电位变化结果表明，冷喷涂Al-50％Zn涂层的腐蚀电位最为稳定。冷喷涂Al及Al-Al2O3涂层的电位变化趋势基本相同，在较长的时间内均存在一定的波动。极化曲线的研究表明，涂层的初始自腐蚀电流密度较大，随着浸泡时间的延长逐渐减小，其中冷喷涂Al-50％Zn涂层的腐蚀电流最大，同时涂层出现钝化现象的时间较早，有可能是Zn发生了快速地腐蚀行为，腐蚀产物的覆盖减缓了腐蚀进行速度;浸泡后期，冷喷涂Al-50％Al2O3涂层的自腐蚀电流最大，表明腐蚀介质穿透腐蚀产物进入到涂层内部发生了快速腐蚀。从涂层的电化学阻抗谱特征曲线来看，冷喷涂涂层的腐蚀过程中存在传质现象， Al-50％Zn涂层具有更为稳定的耐腐蚀性能，整体的腐蚀防护效果较佳。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 海洋腐蚀环境及机理

1．3 海洋腐蚀控制方法

1．4 冷喷涂技术

1．4．1 冷喷涂技术的产生及发展

1．4．2 冷喷涂技术的原理

1．4．3 冷喷涂技术的特点

1．4．4 冷喷涂工艺参数

1．4．5 冷喷涂涂层性能的主要表征方法

1．5 国内外冷喷涂Al及Al-Zn涂层研究现状

1．5．1 国外研究现状

1．5．2 国内研究现状

1．6 本课题的研究内容及目的

第2章 冷喷涂Laval喷嘴优化

2．1 Laval喷嘴

2．2 计算模型参数及方法

2．2．1 计算模型及参数

2．2．2 计算方法及过程

2．3 喷嘴出口对喷管流场影响分析

2．4 下游长度对喷管流场及粒子的影响

2．5 本章小结

第3章 试样制备及检测方法

3．1 试样制备及处理

3．1．1 涂层试样的制备材料

2．1．2 试样的制备

3．1．3 试样处理

3．2 涂层的检测设备与分析方法

3．2．1 形状激光显微电镜观察

3．2．2 金相显微镜

3．2．4 电化学性能测试

3．2．5 海水浸泡试验

第4章 冷喷涂涂层的组织形貌分析

4．1 冷喷涂涂层的表面形貌

4．1．1 冷喷涂涂层的宏观形貌

4．1．2 冷喷涂涂层的微观形貌

4．2 冷喷涂涂层的物理及机械性能对比

4．2．1 冷喷涂涂层的厚度对比

4．2．2 冷喷涂涂层的硬度对比

4．3 冷喷涂涂层横截面孔隙率对比

4．4 小结

第5章 冷喷涂涂层电化学腐蚀行为研究

5．1 冷喷涂涂层腐蚀形貌对比分析

5．2 冷喷涂涂层在海水中的电化学腐蚀行为研究

5．2．1 涂层自腐蚀电位

5．2．2 涂层线性极化阻力

5．2．3 动电位极化曲线

5．3 冷喷涂涂层电化学交流阻抗谱研究

5．3．1 Q235钢电化学交流阻抗谱特征

5．3．2 冷喷涂Al(50μm)涂层电化学交流阻抗谱特征

5．3．3 冷喷涂Al-50％Zn涂层电化学交流阻抗谱特征

5．3．4 冷喷涂Al-50％Al2O3涂层电化学交流阻抗谱特征

5．4 小结

第6章 总结

致谢

参考文献

在学期间发表的学术论文