多结构耐腐蚀铝涂层钢板的制备及其变形行为的研究

摘要

钢板以其良好的力学和成形性能被广泛应用于汽车、海洋工程、建筑等领域。但其极易受到空气中的氧化性气体以及潮湿环境的电化学作用而被腐蚀，缩短了使用寿命的同时造成了巨大的经济损失。热浸镀铝是改善钢板耐腐蚀性能的一种有效的表面处理技术。然而，由于在热浸镀铝过程中脆性Fe-Al金属间化合物的生成，易在合金层中形成裂纹，严重影响了铝涂层钢板的耐腐蚀性能和成形性能。通过控制合金层厚度和改善合金层结构是提高铝涂层钢板使用性能的有效途径。本课题采用热浸镀法、磁控溅射（热处理）复合热浸镀法在Q235钢板表面分别制备了多结构铝涂层（AlH/Q235、AlH+M+HT/Q235）。研究了磁控溅射铝涂层在后续热浸镀铝工艺中对铁、铝原子相互扩散的阻挡作用，揭示了铝涂层的形成机理。同时，采用全浸泡实验和拉深变形实验对铝涂层钢板的耐腐蚀性能和成形性能进行了研究，对涂层的腐蚀防护和断裂失效机理进行了分析。具体研究内容和结果如下： （1）采用热浸镀法在钢板表面制备了铝涂层，研究了浸镀工艺对涂层质量、厚度、形貌、组成及性能的影响。热浸镀铝涂层主要由外侧Al层和内侧Fe-Al合金层组成，铝涂层与钢基体之间呈冶金结合。Al层中分布有“针状”的FeAl3相，Fe-Al合金层由毗邻Al层的“颗粒状”FeAl3相层和毗邻钢基体的“锯齿状”Fe2Al5相层构成。随着浸镀温度的升高，Al层厚度逐渐降低、结构变得致密，Fe-Al合金层厚度逐渐增加。随着浸镀时间的延长，Al层和Fe-Al合金层的厚度都有所增加，合金层厚度与浸镀时间的关系符合x=15.6t1/2-62.9。热浸镀铝涂层与基体的结合强度较高，且Al层到钢基体的硬度先增加后减小。当浸镀温度为720℃，浸镀时间20s时可获得质量较好、合金层较薄（16.86μm）的铝涂层。通过磁控溅射（热处理）复合热浸镀法制备了铝涂层，探究了阻挡层对涂层厚度、形貌、结构的影响。磁控溅射铝涂层（AlM）在600℃热处理30min后，有利于后续热浸镀铝时阻挡铁、铝原子的相互扩散。AlH+M+HT/Q235的合金层结构转变为梳齿状，合金层厚度较AlH/Q235下降了11%。 （2）采用拉深变形实验研究了铝涂层钢板的成形性能和变形后其微观结构，揭示了不同区域裂纹的萌生和扩展机理。研究发现，在拉应力作用下，Fe-Al合金层产生了垂直于基体的Ⅰ型裂纹。在切应力作用下，沿FeAl3相层/Fe2Al5相层界面形成了Ⅱ型裂纹。当压边力为2kN，拉深速度为0.5mm/s时，随涂层厚度的增加，在凸模圆角区涂层表面形成了“鳞片状”裂纹。而且，Al层形成的断口和Fe-Al合金层形成的裂纹逐渐变宽、变深，嵌入其中的“长条状”Fe2Al5相进一步碎化。随变形速率和拉深量的降低，裂纹的宽度和密度都有所下降。涂层厚度减小和合金层结构由排列紧密的锯齿状转变为较为稀疏的梳齿状时，铝涂层钢板的极限拉深比逐渐提高，成形性能得到改善。 （3）采用全浸泡实验对铝涂层钢板的耐腐蚀性能进行评估，研究了浸镀工艺和不同涂层对其腐蚀失重量和腐蚀后形貌的影响。研究表明，铝涂层钢板的腐蚀失重与腐蚀时间成线性关系，基本呈现匀速腐蚀。随着浸镀温度的升高和浸镀时间的延长，铝涂层的耐腐蚀性能都有所提高。铝涂层钢板的腐蚀速率低于未涂覆钢板的1/5。AlH+M+HT/Q235的腐蚀速率较AlH/Q235下降了3%。经过全浸泡实验后，铝涂层表面和内部出现腐蚀凹坑，凹坑周围和内部存在未脱落的腐蚀产物和裂纹。腐蚀产物主要由Al2O3和AlO(OH)组成，其堆积在涂层表面的缺陷和腐蚀凹坑中，产生的“自封闭”作用缓解了铝涂层钢板的腐蚀进程。 本课题通过磁控溅射（热处理）复合热浸镀法在钢板表面制备的铝涂层，有效控制了合金层的厚度和结构，为制备具有优异耐腐蚀性能和成形性能的铝涂层钢板奠定了基础。

目录

1 绪论

1.1 课题背景

1.2 耐腐蚀涂层的种类

1.3 耐腐蚀铝涂层的制备方法

1.4 热浸镀铝涂层的研究现状

1.5 研究目的、内容及意义

2 实验部分

2.1 实验材料、试剂与仪器设备

2.2 基体的预处理工艺

2.3 多结构耐腐蚀铝涂层的制备

2.4 表征与性能测试

2.5 本章小结

3 多结构耐腐蚀铝涂层钢板的制备

3.1 热浸镀铝涂层的研究

3.2 磁控溅射复合热浸镀铝涂层的研究

3.3 铝涂层的形成机理

3.4 本章小结

4 多结构耐腐蚀铝涂层钢板变形行为的研究

4.1 热浸镀铝钢板的拉深变形行为

4.2 磁控溅射（热处理）复合热浸镀铝钢板的拉深变形行为

4.3 多结构铝涂层钢板断裂失效机理的研究

4.4 本章小结

5 多结构铝涂层钢板耐腐蚀性能的研究

5.1 热浸镀铝涂层耐腐蚀性能的研究

5.2 磁控溅射复合热浸镀铝涂层耐腐蚀性能的研究

5.3 铝涂层的腐蚀防护机理

5.4 本章小结

6 结论与展望

致谢

参考文献

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