热喷涂复合材料及复合结构涂层对Zn液和Zn-Al液防护机制的研究
发布时间：2020-07-23 14:54
【摘要】：熔融金属腐蚀是最常见的材料失效形式之一,尤其是熔融锌及铝具有强烈的腐蚀性,与绝大多数金属或合金发生反应,形成铁锌合金和铁铝合金化合物,不断消耗金属中的铁,导致金属材料失效。热浸镀是预防金属腐蚀的有效方法之一。在热镀锌和热镀锌铝工艺条件下,锌锅中的沉没辊和稳定辊受到熔融金属的腐蚀和磨损,使用寿命很短,直接影响着产品质量和工作效率。采用热喷涂方法制备金属、陶瓷或复合材料涂层是一种可以提高这些构件寿命的途径,国内外也有一些应用的报道,但大多是涉及应用效果和工艺方法,而关于失效机理研究则较少。本文研究了碳化物陶瓷涂层和氧化物陶瓷涂层在锌液和锌铝液中的腐蚀过程,并根据实验结果改进了涂层材料的结构体系和成分变化,提高涂层的耐腐蚀性能。研究结果表明,WC-Co陶瓷材料在460℃的锌液中主要失效形式是扩散腐蚀,锌与粘结相钴化合形成CoZn_(13)(γ2)硬脆相。该相与涂层中各组分的弹性模量相差很大,在热应力作用下,涂层中产生较大的内应力,导致涂层开裂并失效;Cr_3C_2-NiCr陶瓷材料失效形式是涂层表面微小的孔洞存在,生成多孔疏松的Ni Zn_8(δ)相,将陶瓷相从涂层表层中剥离。优化后的WC陶瓷材料耐腐蚀性能有所提高,主要是加入了Cr、Mo、W等高熔点金属,使得锌和铝腐蚀扩散变得缓慢。研究结果表明,Cr、Mo、W平铺于粘结相表面,与陶瓷相连接在一起形成了“屏蔽效应”,有效的阻止了锌液和铝液的渗入,降低了与粘结相发生反应生成脆性化合物的速率。等离子喷涂Al_2O_3和Zr O_2陶瓷涂层在锌液和锌铝液中的失效机理是因为陶瓷涂层存在一定数量的孔隙,脆性较大,与基体的热膨胀系数差异性大。随着腐蚀时间的增加,在涂层表面首先形成细微裂纹,并逐渐向涂层内部开始扩展,但由于不是垂直于涂层的贯穿性裂纹,因此这些裂纹不会形成腐蚀通道。随着裂纹的继续扩展,涂层出现层状剥离的现象,尤其是与粘结层的剥离,是导致涂层失效的主要原因。由此可见,单一的Al_2O_3和ZrO_2陶瓷涂层难以具有良好的使用寿命,必须提高陶瓷涂层与粘结层的结合强度及陶瓷相的韧性。改进后的NiCoCr AlY/Al_2O_3和Mo/A1_2O_3梯度涂层由于减缓了界面处热膨胀系数的突变,使得界面处的应力集中减少,对裂纹的扩展起到延缓和抑制的作用,涂层抗裂性能增强。金属粘结层韧性好,微裂纹形核、扩展阻力大。在热震过程中,梯度涂层的热稳定性明显高于单一的Al_2O_3涂层,说明采用梯度涂层能减少涂层与基体热膨胀系数的差异,提高了涂层的疲劳寿命。在锌和锌铝液腐蚀过程中,NiCoCrAlY/Al_2O_3梯度涂层的失效形式仍为剥离失效。陶瓷涂层内的孔隙产生应力集中,形成裂纹源并迅速扩展。锌液沿着孔隙和裂纹进入到涂层内部,削弱涂层间的结合力,导致涂层失效。Mo/A1_2O_3梯度涂层主要失效原因是涂层中的孔隙和裂纹扩展,在其界面处结合薄弱部位Mo发生氧化,生成的氧化物削弱了涂层的结合力,导致涂层裂纹开始扩展并最终失效。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：
第 1 章 绪论δ 相快速转变为 ζ 相，即铁锌腐蚀的最终产物 FeZn13。另一种观到金属表面之后，锌原子向辊金属表层扩散，由于 ζ 相的自由能低蚀产物。ζ 相 FeZn11晶体结构简单，属于金属性的离子键结构，物，因此认为 ζ 相是最早出现的腐蚀产物。随着腐蚀过程的继续进继续向 ζ 相中渗入，ζ 相中铁元素增加，腐蚀产物转变为中间相 物Г 相[23]。
图 1.2 Fe-Al 二元合金相图Fig.1.2 Fe-Al binary phase diagram实际生产中，由于基体表面凸凹不平，铝向基体内扩散受到表处，铝原子扩散方向集中，基体浓度大，形成 FeAl3的量大；方向发散，基体浓度小，形成 Fe2Al5的量大，因此造成 FeAl3匀。由此造成的不规则应力使得在交界处 FeAl3和 Fe2Al5内部体的渗入提供了通道，造成连续腐蚀直至脱落。上述腐蚀现象行，最终导致基体失效。关文献中尚没有关于 FeAl3相厚度的相关数据，这一方面是由于进行检测，甚至有的时候观察不到；另一方面分析指出腐蚀时仅占整体 FeAl3相的一小部分，冷却过程中铁富集所导致的共晶分附着在基体上，其余则呈盘条状散落分布于靠近界面的铝熔 FeAl3相的剥落也为其定量分析带来了难度。因此，关于铁基材主要集中在 Fe2Al5相生长过程的分析。
图 1.3 锌锅沉没辊机构Fig.1.3 Sink roll device in zinc bath表面防腐发展趋势热镀锌钢板已经广泛应用于人们的生产和生活中，人们已经越辊使用寿命和质量[108-109]。无论是在国内还是在国外都对喷涂工量、电流电压等和喷涂用材料，如使用何种喷涂材料进行了大究成果已经有了很大的进步。然而液态锌对涂层的腐蚀失效机了反应，生成低熔点合金或直接溶解于锌液中，使涂层分解、护效果。如果能够寻找到更优化的涂层材料配比和喷涂工艺，结合强度，提高涂层的耐熔锌腐蚀性能[110-111]。因此在此方面仍（1）优化喷涂工艺，提高涂层各方面的性能，例如减少涂层缺耐磨性和韧性，增强涂层与基体的结合强度；（2）优化涂层结结构变化，提高涂层耐锌及锌铝液的腐蚀能力。主要研究内容
本文编号：2767471
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4
【图文】：
第 1 章 绪论δ 相快速转变为 ζ 相，即铁锌腐蚀的最终产物 FeZn13。另一种观到金属表面之后，锌原子向辊金属表层扩散，由于 ζ 相的自由能低蚀产物。ζ 相 FeZn11晶体结构简单，属于金属性的离子键结构，物，因此认为 ζ 相是最早出现的腐蚀产物。随着腐蚀过程的继续进继续向 ζ 相中渗入，ζ 相中铁元素增加，腐蚀产物转变为中间相 物Г 相[23]。
图 1.2 Fe-Al 二元合金相图Fig.1.2 Fe-Al binary phase diagram实际生产中，由于基体表面凸凹不平，铝向基体内扩散受到表处，铝原子扩散方向集中，基体浓度大，形成 FeAl3的量大；方向发散，基体浓度小，形成 Fe2Al5的量大，因此造成 FeAl3匀。由此造成的不规则应力使得在交界处 FeAl3和 Fe2Al5内部体的渗入提供了通道，造成连续腐蚀直至脱落。上述腐蚀现象行，最终导致基体失效。关文献中尚没有关于 FeAl3相厚度的相关数据，这一方面是由于进行检测，甚至有的时候观察不到；另一方面分析指出腐蚀时仅占整体 FeAl3相的一小部分，冷却过程中铁富集所导致的共晶分附着在基体上，其余则呈盘条状散落分布于靠近界面的铝熔 FeAl3相的剥落也为其定量分析带来了难度。因此，关于铁基材主要集中在 Fe2Al5相生长过程的分析。
图 1.3 锌锅沉没辊机构Fig.1.3 Sink roll device in zinc bath表面防腐发展趋势热镀锌钢板已经广泛应用于人们的生产和生活中，人们已经越辊使用寿命和质量[108-109]。无论是在国内还是在国外都对喷涂工量、电流电压等和喷涂用材料，如使用何种喷涂材料进行了大究成果已经有了很大的进步。然而液态锌对涂层的腐蚀失效机了反应，生成低熔点合金或直接溶解于锌液中，使涂层分解、护效果。如果能够寻找到更优化的涂层材料配比和喷涂工艺，结合强度，提高涂层的耐熔锌腐蚀性能[110-111]。因此在此方面仍（1）优化喷涂工艺，提高涂层各方面的性能，例如减少涂层缺耐磨性和韧性，增强涂层与基体的结合强度；（2）优化涂层结结构变化，提高涂层耐锌及锌铝液的腐蚀能力。主要研究内容
【参考文献】
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本文编号：2767471
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