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低压冷喷涂铝涂层的防腐性能研究

作　者: 邱善广
导　师: 王佳
学　校: 中国海洋大学
专　业: 应用化学
关键词: 低压冷喷涂陶瓷相Al2O3 Al涂层表面特征防腐性能海洋环境
分类号: TG174.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

海洋环境中，船舶的内舱和舷外结构，海洋平台和港工设施的潮差，飞溅及大气段均存在严重的腐蚀问题。喷涂金属防护涂层技术是目前国际上解决海洋环境中钢结构长效防护的重要手段。金属铝及其合金涂层在海洋环境中是比较常用的防腐涂层，Al涂层作为一种阳极性涂层，不仅具有有机涂层隔离腐蚀介质的物理屏蔽作用，而且还可以做为牺牲阳极为钢结构基体提供阴极保护作用。作为防腐涂层具有较广阔的市场应用前景。低压冷喷涂技术是一种新型的表面工程技术，同高压冷喷涂技术原理一样，粒子通过高速撞击基体发生塑性变形而沉积形成涂层。低压冷喷涂不仅能制备各种金属或合金防护涂层，且便携、经济有效，越来越得到研究者的青睐，市场应用前景比较可观。本文运用低压冷喷涂工艺制备了Al-Al₂O₃涂层。通过各种微观分析及电化学测试表征方法，研究涂层的表面特性及其在海洋环境中的耐蚀性能；讨论了陶瓷相Al₂O₃的含量对涂层性能的影响；同时与高压冷喷涂和热喷涂铝涂层进行了对比，为制备低成本、高性能的防腐涂层提供了数据参考。论文利用DYMET-314低压冷喷涂设备，在优化后的工艺参数下制备了Al-10%Al₂O₃、Al-20%Al₂O₃、Al-30%Al₂O₃、Al-40%Al₂O₃及Al-50%Al₂O₃5种不同氧化铝体积含量的Al-Al₂O₃涂层。通过扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）及金相显微镜对涂层表面和截面特征进行表征，得出低压冷喷涂铝涂层通过塑性变形与基体机械咬合在一起，涂层较致密，氧化铝作为第二相，均匀的分布在涂层中。原始粉末中氧化铝含量越高，涂层中氧化铝含量则相对较高；由于氧化铝的嵌入，涂层表面有一定的界面缺陷或抛光过程中Al₂O₃的脱落，造成孔隙率相对有所增加，涂层中氧化铝含量越多，这种效果越明显孔隙率就会相对增大，但整体上5种低压冷喷涂铝涂层的孔隙率较低在1%～5%。通过拉伸试验机对涂层的结合强度测试得知，涂层间的内聚结合强度大于涂层与基体间的结合强度；涂层中Al₂O₃含量越高，涂层与基体间的结合强度相对较高，其中Al-50%Al₂O₃涂层的结合强度最高为31.2Mpa。当喷涂粉末中加入10%～20%体积比例的陶瓷相Al₂O₃时，涂层的孔隙率较低且结合强度相近。对低压冷喷涂和等离子喷涂Al-Al₂O₃涂层进行海水浸泡试验，通过自腐蚀电位、线性极化、动电位极化及交流阻抗测试，并结合扫描电镜、XRD衍射仪对涂层腐蚀产物进行对比分析得知：低压冷喷涂铝涂层腐蚀产物较致密，热喷涂铝涂层腐蚀产物较疏松。自腐蚀电位测试结果表明，相对钢基体都能提供有效可靠的阴极驱动电位，Al-10%Al₂O₃涂层的稳定电位更负一些在-0.81V左右，4#和5#涂层电位波动较大，在-0.735V～-0.75V区间变化；热喷涂铝涂层电位稳定在-0.88V左右，能为基体提供阴极保护。线性极化测试结果表明，随浸泡时间增加，低压冷喷涂和热喷涂铝涂层Rp都有不断增大的趋势，低压冷喷涂铝涂层的极化电阻整体上高于热喷涂铝涂层的；其中1#涂层的Rp最大为6×10⁴Ω·cm²，腐蚀电流密度较小，耐蚀性能较好。动电位极化测试结果表明，浸泡初期涂层表面膜层的防护作用薄弱，腐蚀电流密度都先增大后减小；低压冷喷涂铝涂层的稳定腐蚀电流密度整体上高于热喷涂铝涂层的，涂层表面具有较好的耐蚀性能，都能为基体提供有效保护；其中1#涂层的稳定腐蚀电流密度较小在0.3μA/cm²左右。交流阻抗测试结果表明，低压冷喷涂和热喷涂铝涂层在浸泡初期和后期，由于表面钝化膜或腐蚀产物膜的保护作用，都呈现较明显的扩散过程，浸泡中期呈现单一的容抗弧特征。针对海洋腐蚀环境，对5种低压冷喷涂涂层在海洋环境飞溅区进行了6个月的挂片试验和1000h的中性盐雾试验。结果表明，低压冷喷涂铝涂层相对碳钢基体具有较好的防护性能，白色腐蚀产物均匀致密的分布在涂层表面；涂层中氧化铝含量越多，呈现出涂层表面粗糙度较大，腐蚀的较快；热喷涂铝涂层同样能为基体提供较好的防护，由于涂层组织结构的缺陷，不如低压冷喷涂铝涂层防护性能更长久稳定。通过对低压冷喷涂铝涂层物理性能、海水浸泡的电化学性能测试及海洋飞溅区的耐蚀性能试验，综合对比得知：当在喷涂粉末中加入10%～20%体积比例的Al₂O₃陶瓷相粉末时，得到的涂层不仅具有物理隔离作用还具有阴极保护作用；再由于Al涂层的自钝化作用，可以全面的为钢基体提供有效的腐蚀防护；对于300μm厚的涂层防护寿命可达20年以上。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章文献综述  13-25
  1.1 金属的腐蚀与防护  13-16
    1.1.1 金属材料腐蚀概述  13-14
    1.1.2 金属材料腐蚀控制方法  14-15
    1.1.3 金属铝防腐镀层的制备工艺及应用前景  15-16
  1.2 冷喷涂技术  16-17
    1.2.1 冷喷涂技术的发展  16
    1.2.2 冷喷涂技术原理及特点  16-17
  1.3 冷喷涂制备防腐涂层工艺参数的影响  17-18
    1.3.1 高压冷喷涂制备防腐涂层工艺参数的影响  17-18
    1.3.2 低压冷喷涂制备防腐涂层工艺参数的影响  18
  1.4 高压冷喷涂防腐涂层的性能研究  18-20
  1.5 高压冷喷涂铝涂层的应用现状及展望  20-21
  1.6 低压冷喷涂防护涂层的研究进展  21-23
  1.7 研究意义及内容  23-25
    1.7.1 研究意义  23-24
    1.7.2 研究内容  24-25
第二章试验材料及分析方法  25-31
  2.1 试样的制备  25-27
    2.1.1 粉末与基体材料  25
    2.1.2 涂层的制备  25-26
    2.1.3 试样的处理  26-27
  2.2 主要化学试剂  27
  2.3 试验仪器及研究方法  27-31
第三章低压冷喷涂铝涂层的微观结构及物理性能表征  31-47
  3.1 引言  31
  3.2 研究方法及内容  31
  3.3 结果与讨论  31-46
    3.3.1 铝涂层的形貌及成分分析  31-36
    3.3.2 5 种比例陶瓷相低压冷喷涂铝涂层的横截面微观形貌及能谱分析  36-41
    3.3.3 涂层中不同 Al_2O_3的含量对涂层物理性能的影响  41-46
  3.4 小结  46-47
第四章低压冷喷涂铝涂层的腐蚀行为研究  47-73
  4.1 引言  47
  4.2 研究方法及目的  47
  4.3 结果与讨论  47-71
    4.3.1 低压冷喷涂 Al 涂层自然浸泡后的腐蚀形貌  47-51
    4.3.2 低压冷喷 Al 涂层的自腐蚀电位随时间的变化曲线  51-52
    4.3.3 低压冷喷 Al 涂层的线性极化阻力  52-55
    4.3.4 低压冷喷 Al 涂层的动电位极化  55-58
    4.3.5 低压冷喷 Al 涂层的交流阻抗谱  58-62
    4.3.6 热喷涂 Al-20%Al_2O_3涂层形貌及成分分析  62-63
    4.3.7 热喷涂 Al-20%Al_2O_3涂层自腐蚀电位随时间的变化曲线  63-64
    4.3.8 热喷涂 Al-20%Al_2O_3涂层线性极化电阻随时间的变化曲线  64-65
    4.3.9 热喷涂 Al-20%Al_2O_3涂层阻抗谱随时间的变化曲线  65-69
    4.3.10 热喷涂 Al-20%Al_2O_3涂层动电位极化随时间的变化曲线  69-71
  4.4 小结  71-73
第五章海洋大气环境中低压冷喷涂铝涂层的耐蚀性能研究  73-78
  5.1 引言  73
  5.2 研究方法及目的  73
  5.3 结果与讨论  73-77
    5.3.1 海洋飞溅区挂片实验  73-75
    5.3.2 中性盐雾加速实验  75-77
  5.4 小结  77-78
第六章结论  78-80
  6.1 论文的主要结论  78-79
  6.2 论文的特色和创新  79
  6.3 有待进一步研究的问题  79-80
参考文献  80-85
致谢  85-86
个人简历  86
发表的学术论文  86-87

低压冷喷涂铝涂层的防腐性能研究

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