超音速火焰喷涂燃烧室压力与基材冷却对铁基非晶涂层的影响

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铁基非晶材料由于短程有序、长程无序,以及没有晶界和位移等晶体缺陷的特点,具有很高的耐腐蚀和耐磨性。但是由于非晶态合金材料制备技术的限制,不可能实现工业化生产,为了充分发挥其优异的性能,扩大其应用范围,许多学者对非晶体合金涂层的制备进行了广泛的研究。本课题选取铁基非晶成分体系进行涂层氧化的研究,分析涂层在超音速火焰喷涂HVAF过程中冷却对涂层中氧化问题的缓解情况和抗腐蚀性能的影响,并在此基础上研究在喷涂过程中不同燃烧室力引起的输出能量不同对涂层性能的深入影响,以便在此研究基础上理解不同能量变化对涂层性能的影响,为铁基非晶涂层提高抗腐蚀性能提供方法和科学依据。本文采用超音速火焰喷涂技术制备了铁基非晶涂层,通过调整喷涂过程中燃烧室的压力,在碳钢基体上制备了不同能量输入的铁基非晶涂层,通过X射线衍射判定合金是否为完全非晶态,定性分析氧化物的存在,对燃烧室压力不同产生的不同能量的涂层进行了电化学测试,研究了非晶合金涂层的耐腐蚀性能,用电化学阻抗谱分析了非晶合金钝化膜的稳定性,利用XPS技术对铁基非晶合金体系涂层不同厚度处氧化情况进行探究,主要结论如下:(1)在空气压力与丙烷压力分别为75/78、82/86、92/97三组不同燃烧室压力下所制备的涂层中,高能量下,即燃烧室压力为92/97时,涂层的涂覆与铺展状态最好,但随之而来的问题是喷枪喷涂温度的升高,导致层片间的氧化物增多,致使涂层总体平均氧含量上升,经过分析高能量涂层晶化现象加剧。(2)对三种不同燃烧室压力下所制备的涂层在人工模拟海水中进行了电化学实验,结果表明三种不同状态涂层的自腐蚀电流密度I低<I 高<I中,表明中等燃烧室压力涂层腐蚀速率最高,并且对比三种涂层的自腐蚀电位Ecorr,中等燃烧室压力涂层的电位相对更负,其抗腐蚀能力最差。综合分析,中等燃烧室压力下的涂层在海水中的耐蚀能力最差,而低燃烧室压力与高燃烧室压力下的涂层更加良好。(3)不同燃烧室压力条件下,在基板背部增加水冷条件下,涂层组织冷却速度加快。XRD分析显示内部组织晶化问题得到改善,对水冷后涂层进行扫描电镜下截面与表面分析,不同燃烧室压力下制备的水冷涂层层片间氧化问题均得到不同程度的缓解,然而中等燃烧室压力与低燃烧室压力下所制备的样品因水冷的加入导致冷却过快,各粒子间搭接不充分,最终致使铺展状态变差。在模拟海水的电化学测试中,高燃烧室压力的涂层样品自腐蚀电流密度最小,抗腐蚀性能最好;阻抗谱测试也表明其涂层钝化膜稳定性最好,耐蚀性最好。(4)加入水冷后,基板冷却加速了涂层层片的热能散失,三种样品的平均氧含量均有所下降,在对高燃烧室压力涂层样品的XPS测试中,发现靠近基体处的水冷涂层中氧化物含量相较非水冷涂层有了明显下降,但随着涂层样品厚度的增加,水冷对涂层氧化物含量的降低作用减小,分析是由于涂层成分为非晶状态,其导热速率远低于晶体状态的基体,因此随着涂层厚度增加水冷的对降低氧化物含量的效果随之变差。(5)盐雾测试表明,高燃烧室压力水冷涂层点蚀出现在216小时左右,在六组涂层中出现最晚,并且相较其他涂层,在经历408小时的长时间盐雾测试后,其蚀点未发生明显扩散,较之其他几组涂层抗长期腐蚀能力最强,这与电化学测试结果吻合,因此高燃烧室压力水冷涂层抗腐蚀性能最为良好。
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