耐蚀ZnNi-Al2O3涂层冷喷涂过程数值模拟及工艺优化

摘要

船舶内舱等部位处于高温、高湿、高盐雾环境，腐蚀条件苛刻。有机涂层难以提供长效防护，又由于空间有限难于维护，成为船舶腐蚀的突出问题。锌镍涂层是解决苛刻环境中腐蚀的有效途径，但是传统方法成本高，工艺复杂，在狭窄空间内施工受限。冷喷涂技术作为一种解决方法，显示了较强的优势，但是现有技术存在堵塞喷枪，涂层组份难控制等问题，有待于进一步研究改善。
　　本文采用数值仿真方法对耐蚀锌镍复合涂层冷喷涂制备过程和工艺进行研究：首先计算下游侧向送粉喷嘴内的流体分布特征，分析颗粒在喷嘴内的运动特性以及对喷嘴的冲刷作用。设计了下游轴向送粉喷嘴，研究了该喷嘴的特征结构参数对喷嘴内流态和虹吸现象的影响，并验证喷涂效果。提出并研究了板前设置针尖障碍的方法改善微纳米颗粒的加速行为。通过数值模拟方法和实验研究了不同工艺参数碰撞沉积特征和效率。最后对锌镍复合涂层腐蚀防护性能、电化学行为进行评价，并与高压冷喷涂和火焰喷涂锌镍涂层进行了对比。
　　研究结果表明，收缩-膨胀-延长形式的喷嘴在延长管内部可形成稳定负压，在此之前虹吸不稳定。前气室压力和温度对虹吸量影响很小，位置和尺寸则对虹吸量影响很大。现有商业化设备，颗粒进入喷嘴后与喷嘴内壁的撞击角度约接近30°，导致磨损行为最严重，数值模拟的应力集中和实验结果都较为吻合。该型设备的喷嘴，绝大部分锌颗粒都能达到临界沉积速度，只有很小一部分（<20μm）镍颗粒能达到临界沉积速度。
　　设计的下游轴向送粉喷嘴的粉末束直径只有2mm，且严格的约束在中心线附近，不会对喷嘴内壁造成磨损，可有效改善喷嘴寿命。其中，缩放管环形结构导致最大速度气流分布在壁面的位置，虹吸的气体在延长管内与主气混合最终发展为高速气流，与传统喷嘴的流速相比普遍低100m/s。在不同入口温度和入口压力下，送粉管内的气体流量变化很小，变化范围仅为2.74～2.77kg/s。对膨胀比3.25的喷嘴验证结果表明，可达到镍颗粒的临界沉积速度。
　　提出了针状障碍方法改善板前压缩层减速作用，直接喷涂大于0.5μm的微纳米颗粒是可行的。其中1μm的镍颗粒在基体上的有效撞击速度为733m/s，0.5μm的颗粒560m/s。而在相同条件下的平板基体表面，颗粒的速度仅为372m/s。而相同情况下，0.2和0.1μm的镍颗粒的有效撞击速度仅有不足200m/s。
　　碰撞过程的数值研究结果表明：陶瓷不能单纯沉积，依靠镶嵌作用分散涂层中，且氧化铝会阻碍涂层沉积，陶瓷的沉积会降低涂层性能。影响沉积效率间的工艺主要有载气温度、压力，氧化铝含量，喷嘴移动速度等。沉积效率随温度和压力升高而升高，氧化铝在涂层中的含量会由30％降低到15～22%。
　　相比于火焰喷涂和球磨合金化高压喷涂方式，低压冷喷涂方法可直接沉积锌镍复合涂层。涂层的结合强度均接近30MPa，比火焰喷涂提升了一倍，涂层的厚度可控，经2000h盐雾试验未失效，耐蚀性良好。在海水中的腐蚀行为：浸泡初期锌活性溶解，锌离子与OH-形成Zn(OH)2，之后与Cl-作用形成ZnO和ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O。镍含量高时，向ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O转化的程度就高，反之亦然。但是对于镍含量较高的涂层，涂层自身形成明显的微观腐蚀电池使耐蚀性能降低。
　　通过本文的研究，明确了现有设备的不足，设计了新型的喷嘴结构，提出了微纳米颗粒直接喷涂途径，提升了设备的使用寿命和应用范围，明确了水介质中锌镍涂层的性能及腐蚀行为，为锌镍复合涂层用于水环境中钢基体的保护的进一步推广起到了推进作用。

目录

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2国内外在该方向的研究现状及分析

1.3论文主要研究内容

第2章实验材料和研究方法

2.1实验药品药剂和原材料

2.2实验仪器

2.3冷喷涂气故两相流数值模拟研究方法

2.4火焰喷涂锌镍复合涂层制备方法

2.5低压冷喷涂涂层的制备

2.6高压压冷喷涂涂层制备方法

2.7复合涂层微观分析及腐蚀电化学行为测试

第3章 冷喷涂过程数值模拟及优化研究

3.1引言

3.2冷喷涂过程气固两相流模拟方法

3.3Laval喷嘴气固两相流数值模拟典型结果及分析

3.4低压冷喷涂气固两相流特征分析

3.5下游同轴送粉喷嘴的流场特征分析

3.6板前微纳米颗粒加速行为研究

3.7低压冷喷涂沉积工艺参数与沉积效率的关系

3.8本章小结

第4章 冷喷涂锌镍涂层沉积过程模拟研究

4.1引言

4.2试验方法和手段

4.3碰撞过程变形结果分析

4.4小结

第5章 冷喷涂锌镍涂层性能及微观表征

5.1引言

5.2火焰喷涂锌镍合金腐蚀行为研究

5.3高压冷喷涂锌镍合金涂层腐蚀性能分析

5.4 低压冷喷涂锌镍涂层腐蚀形貌及成分分析

5.5 本章小结

结论

论文的创新点

今后的研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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