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碳钢表面热障涂层的制备及其性能研究

作　者: 刘扬佳
导　师: 曹学强；杨道武
学　校: 长沙理工大学
专　业: 应用化学
关键词: 碳钢热障涂层材料 8YSZ 电化学阻抗谱腐蚀
分类号: TG174
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

碳钢的价格低廉,加工工艺性能良好,使用经验丰富,是目前使用广泛的结构材料。所以,对碳钢的表面防护仍然是研究的热点。目前,采用在碳钢表面添加涂层的方法来进行防腐。作为经典的热障涂层材料,8YSZ在柴油机和燃气轮机方面表现出良好的热力学性能。但是,对于8YSZ涂层在海洋环境下对碳钢的腐蚀防护研究很少。本文主要目的是将8YSZ陶瓷涂层应用于碳钢表面,研究其在海水中的防腐性能。本实验采用大气等离子喷涂的方法在碳钢表面制备厚度250μm的8YSZ涂层。为了研究粘结层对涂层的影响,还制备了具有100μm粘结层的涂层。用XRD对涂层表面进行物相分析,用SEM结合能谱分析对试样的表面形貌及截面结构进行分析,使用XPS对腐蚀产物进行定性分析。用无损检测手段——电化学阻抗谱对海水浸泡下试样的腐蚀行为进行了实时监测,研究了浸泡过程中涂层的表面粗糙度、显微硬度、结合强度等性能变化。8YSZ涂层及粘结层都是以层状铺展在基底的表面。涂层表面比较粗糙且存在微裂纹,涂层内部存在孔隙,这种结构使得电解质溶液与氧气能够穿过涂层而到达基底表面。在浸泡过程中,由于生产了腐蚀产物,表面陶瓷层8YSZ的粗糙度增大,试样内部的结合强度减小。对于有粘结层的试样,在碳钢基底与粘结层之间、8YSZ涂层表面已经涂层内部都观察到了腐蚀产物,其呈疏松的片状结构,主要成分是γ-FeOOH。电化学阻抗谱测试及等效电路拟合结果显示:无粘结层的试样,表现出2个时间常数,在浸泡后期,在电极附近出现了由扩散引起的Warburg阻抗。而对于有粘结层的涂层,其交流阻抗谱在浸泡初期具有3个时间常数,浸泡后期由于在碳钢表面生成了一层腐蚀产物,出现了1个新的时间常数。随着浸泡时间的延长,腐蚀产物增多,涂层性能降低。研究结果表明,即使浸泡了100天(d),都没有观察到涂层与基底的剥落,说明碳钢基底制备的热障涂层具有良好的保护性能。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-22
  1.1 研究的背景、目的及意义  11
  1.2 材料的腐蚀与防护  11-13
    1.2.1 隔离法  11-12
    1.2.2 增大电极电势法  12
    1.2.3 阴极保护法  12-13
    1.2.4 改善腐蚀介质环境  13
  1.3 热障涂层材料  13-18
    1.3.1 热喷涂技术  13-14
    1.3.2 热障涂层材料的制备方法  14-17
    1.3.3 热障涂层材料  17-18
  1.5 电化学阻抗谱  18-21
    1.5.1 材料性能的评定方法  18-20
    1.5.2 电化学阻抗谱  20-21
  1.6 本论文的主要研究内容  21-22
第二章实验部分  22-30
  2.1 主要化学试剂  22
  2.2 主要仪器  22-23
  2.3 样品制备  23-24
    2.3.1 基底试样的制备  23-24
    2.3.2 粘结层的制备  24
    2.3.3 8YSZ 涂层的制备  24
  2.4 样品的测试与表征  24-30
    2.4.1 物相与晶体结构分析  24-25
    2.4.2 形貌与微观结构分析  25-26
    2.4.3 X 射线光电子能谱分析  26
    2.4.4 电化学性质测试  26-27
    2.4.5 力学性能测试  27-30
第三章碳钢表面8YSZ 涂层的制备及性能研究  30-55
  3.1 引言  30-31
  3.2 碳钢表面8YSZ 涂层的制备及性能表征  31-41
    3.2.1 涂层的表面形貌  31-32
    3.2.2 涂层的截面结构  32-33
    3.2.3 相结构分析  33-34
    3.2.4 涂层的表面粗糙度  34
    3.2.5 涂层的显微硬度  34-36
    3.2.6 涂层的磨损性能  36-38
    3.2.7 涂层与基底的结合强度  38-39
    3.2.8 Tafel 曲线测试  39-41
  3.3 海水浸泡时间对试样性能的影响  41-53
    3.3.1 涂层的结构变化  42-46
    3.3.2 涂层的表面粗糙度随浸泡时间的变化  46-47
    3.3.3 涂层与基底的结合强度随浸泡时间的变化  47
    3.3.4 涂层的硬度随浸泡时间的变化  47-48
    3.3.5 电化学阻抗谱随浸泡时间的变化  48-53
  3.4 本章小结  53-55
第四章粘结层对热障涂层性能的影响  55-76
  4.1 引言  55
  4.2 涂层的制备及性能表征  55-61
    4.2.1 涂层表面形貌  55-56
    4.2.2 截面结构  56-57
    4.2.3 涂层相结构  57-58
    4.2.4 涂层的表面粗糙度  58
    4.2.5 涂层的显微硬度  58-60
    4.2.6 涂层与基底的结合强度  60
    4.2.7 Tafel 曲线测试  60-61
  4.3 不同浸泡时间下涂层的性能研究  61-74
    4.3.1 物相分析  61-62
    4.3.2 结构变化及腐蚀产物分析  62-67
    4.3.3 浸泡时间对涂层表面粗糙度的影响  67-68
    4.3.4 浸泡时间对结合强度的影响  68-69
    4.3.5 浸泡时间对涂层硬度的影响  69-70
    4.3.6 电化学阻抗谱随浸泡时间的变化  70-74
  4.4 本章小结  74-76
结论  76-78
参考文献  78-87
致谢  87-89
附录（攻读学位期间发表的论文）  89-91
摘要  91-94
ABSTRACT  94-97

碳钢表面热障涂层的制备及其性能研究

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