Titaaniteräskomposiittipaneelit ovat saaneet laajaa huomiota öljy-, kemian-, energia- ja meritekniikan aloilla viime vuosina niiden erinomaisten teräksen mekaanisten ominaisuuksien ja titaanin korroosionkestävyyden ansiosta. Kuitenkin kun titaaniteräskomposiittilevyjä käytetään ankarissa meriympäristöissä, niiden päätypinnat altistuvat galvaaniselle korroosiolle titaanin ja teräksen välisen potentiaalieron vuoksi, mikä heikentää niiden suorituskykyä todellisen käytön aikana. Siksi asianmukaisten menetelmien ottaminen käyttöön titaaniteräskomposiittilevyjen päätypinnan suojaamiseksi on erittäin tärkeää ja arvokasta. Mutta tällä hetkellä asiaankuuluvia raportteja ei ole juuri lainkaan. Enemmän tutkimusta keskittyy pinnoitteiden valmistukseen titaani- tai teräslevyjen pinnalle alustan käyttöominaisuuksien parantamiseksi, mukaan lukien pääasiassa lämpöruiskutus ja laserpinnoitus. Lämpöruiskutusprosessilla on korkea hyötysuhde, joustava ja yksinkertainen toiminta, mutta sen lämmönlähteen laajasta lämpötila-alueesta johtuen pinnoitteessa on taipumus esiintyä vikoja, kuten huokosia, ja jäännöslämpöjännitys on suhteellisen suuri.
1. Titaanipinnoitteen valmistus
Substraattimateriaali on titaaniteräskomposiittilevy, jonka on valmistanut Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd. tyhjiömuovausmenetelmällä. Titaanilevy on 1,80 mm paksu ja teräslevy 10,20 mm paksu, kuten kuvassa 1. Käytä ennen titaanipinnoitteen valmistelua 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # ja 2000 # SiC hiekkapaperia kiillota substraatti peräkkäin, minkä jälkeen puhdista ultraääni etanolissa 10 minuutin ajan epäpuhtauksien, kuten öljyn ja ruosteen, poistamiseksi näytteen pinnalta. Kylmäruiskutukseen käytetty titaanijauhe on Guangdongin tiedeakatemian Institute of New Materials -instituutin valmistama Ti-01, jonka hiukkaskoko on 50-100 μm. Seulonnan jälkeen titaanijauhetta paistetaan 120 asteessa 30 minuuttia kosteuden vaikutuksen vähentämiseksi pinnoitteen laatuun. Kylmäruiskutuslaitteisto valmistui japanilaisen Plasma Gikenin PCS1000:lle.
Leikkaa näyte sähköpurkauslangan katkaisukoneella mikrorakenteen karakterisointia ja poikkileikkauksen koostumusanalyysiä varten. Metallografiset näytteet valmistetaan mekaanisella hionta- ja kiillotusmenetelmillä. Etsausaineena käytetään typpihappoetanoliliuosta, jonka tilavuussuhde on 1:19. Mikrorakenteelliset piirteet karakterisoitiin EDS:llä varustetuilla OM:lla (Leica DVM6M) ja SEM:llä (Phenom ProX). Metallografisten näytteiden mikroskooppinen tutkimus
Kovuus mitattiin Vickers-mikrokovuusmittarilla, jonka viipymäaika oli 10 sekuntia ja kuormitus 500 g. Mittaukset tehtiin 0,4 mm välein pinnoitepinnasta alustaan. Kitka- ja kulumistesti käyttää nopeaa edestakaisin liikkuvan kitkan ja kulumisen testauskonetta, jonka kuorma on 20 N, aika 10 min, taajuus 1 Hz, testipituus 10 mm ja GCr15-teräspallot kitkana. pari. Ennen sähkökemiallista testausta näyte suljetaan epoksihartsilla, kiillotetaan metallografisella hiekkapaperilla pintaoksidien poistamiseksi, puhdistetaan etanolilla ja puhtaalla vedellä ja lopuksi kuivataan kuumalla ilmalla puhtaan pinnoitepinnan saamiseksi. Koe suoritetaan huoneenlämpötilassa. Kokeellinen väliaine on simuloitu merivesiliuos (3,5 % NaCl), jossa käytetään kolmen elektrodin järjestelmää. Näyte on työelektrodi, vastaelektrodi on platinalevy ja vertailuelektrodi on kyllästetty kalomelielektrodi (SCE). Sähkökemiallinen impedanssispektroskopia testattiin sähkökemiallisella työasemalla (CHI760E) avoimen piirin potentiaalilla, testaustaajuudella 105~10-2Hz ja häiriöpotentiaalilla 10 mV. Suolasumutestaukseen käytetään China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd:n suolasuihkukorroosiotestikonetta (EASS-100). Corrosion Test in Atmosphere - Salt Spray Test (GB 10125-1997) mukaan testiliuos on 5-prosenttista NaCl-liuosta massaosuuden perusteella ja lämpötila ruiskutuslaatikossa on 35 astetta.
3. Kaasun paineen ja lämpötilan vaikutus jauheen syöttämisen aikana titaanipinnoitteiden mikrorakenteeseen ja morfologiaan
Yksi tärkeimmistä parametreista kylmäruiskutusprosessissa on ruiskutettujen hiukkasten kriittinen nopeus ennen kuin ne törmäävät alustaan. Tietylle matriisimateriaalille on olemassa kriittinen nopeus, jolla vain hiukkaset, joiden nopeus on suurempi kuin kriittinen nopeus, voidaan kerrostaa muodostamaan pinnoite, kun taas hiukkaset, joiden nopeus on pienempi kuin kriittinen nopeus, pomppaavat takaisin muodostaen pinnoitteen. Kylmäsuihkuhiukkasten kriittinen nopeus riippuu tekijöistä, kuten materiaalin tiheydestä, sulamispisteestä, murtolujuudesta ja hiukkasten alkulämpötilasta. Kylmäsumutusprosessin aikana metallit, kuten Cu, Zn ja Al, ovat alttiita hiukkasten suurelle plastiselle muodonmuutokselle, mikä johtaa tiheisiin pinnoitteisiin. Tiilla on kuitenkin korkean sulamispisteensä vuoksi vaikea saada tiiviitä pinnoitteita kylmäruiskutuksen törmäysmuodonmuutospinnoitusteorian avulla. Asiaankuuluvat tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että jauheen syöttökaasun lämpötilan ja paineen nostaminen voi tehokkaasti vähentää pinnoitteen huokoisuutta. Pinnoitteen huokoisuus on avaintekijä, joka vaikuttaa sen suojaavaan suorituskykyyn. Kirjoittaja tutki laitteiston sallitulla alueella jauheen syöttökaasun lämpötilan ja paineen vaikutusta titaanipinnoitteen mikrorakenteeseen.
Kuvassa 2 on esitetty metallografinen morfologia titaanipinnoite näytteistä, jotka on valmistettu jauheen syöttökaasun paineen ja lämpötilaparametrien eri yhdistelmillä. Koska kylmäruiskutus kuuluu solid-state-pinnoitusmenetelmään, sillä on vähän lämpövaikutusta alustaan, eivätkä hiukkaset sula pinnoitusprosessin aikana. Siksi substraatin puolella oleva titaanilevy ja teräslevy ovat ehjät, ja titaanipinnoitteita voidaan valmistaa tutkitun jauheen syöttökaasun lämpötila- ja painealueella. Kuvasta 2 voidaan nähdä, että jauheen syöttökaasun paineella ja lämpötilalla on vain vähän vaikutusta pinnoitteen paksuuteen. Useissa olosuhteissa saman ruiskutusajan sisällä valmistettu pinnoitteen paksuus on vertailukelpoinen, keskipaksuudella 2,70 mm. Kuitenkin jauheen syöttökaasun parametreillä on merkittävä vaikutus kylmäsumutettujen titaanipinnoitteiden rakenteeseen.
Johtopäätös
1) Jauhesyöttökaasun lämpötilan ja paineen nostaminen kylmäruiskutusprosessin aikana ei ainoastaan auta vähentämään pinnoitteen huokoisuutta ja parantamaan sen tiheyttä, vaan myös estää pinnoitteen delaminaatiota ja vahvistaa pinnoitteen sisäistä sitoutumista. Kun jauheen syöttökaasun lämpötilaa ja painetta nostettiin 800 astetta ja 3 MPa:sta 900 asteeseen ja 5 MPa:iin, vastaavasti, pinnoitteen huokoisuus laski 4,25 %:sta 1,14 %:iin.
2) Johtuen jauheen syöttökaasun alhaisesta lämpötilasta titaanipinnoitteiden kylmäsumutusvalmistelun aikana, valmistetuissa titaanipinnoitteissa, jotka koostuvat pääasiassa metallista Ti:sta, ei havaittu merkittävää hapettumista. Samanaikaisesti korkeammissa jauheen syöttökaasun lämpötila- ja paineolosuhteissa (900 astetta ja 5 MPa) titaaniteräskomposiittilevyn puolella oleva titaanipinnoite on hyvä yhteensopivuus alustan kanssa eikä ilmeistä rajapintaa johdonmukaisen koostumuksen vuoksi; Titaanipinnoitteen ja teräslevyn välinen rajapinta on selkeä, eikä siinä ole merkittävää elementtien välistä diffuusiota.
3) Jauheen syöttökaasun lämpötilan tai paineen nostaminen kylmäsumutusprosessin aikana on hyödyllistä plastisen muodonmuutoksen vahvistamisessa, pinnoitteen tiheyden parantamisessa ja siten pinnoitteen mikrokovuuden ja kulutuskestävyyden parantamisessa. Titaanipinnoite, joka valmistettiin käyttämällä GCr15:tä kitkaparina, jauheen syöttökaasun paineella 5 MPa ja lämpötilalla 900 astetta, osoitti kulumisnopeutta 0,32 × 10-3mm3/(N ·) m) 10 minuutin käytön jälkeen 20 N:n kuormituksella.
4) Titaaniteräskomposiittilevyn päätypinnalle valmistetulla kylmäsumutetulla titaanipinnoitteella on hyvä korroosionkestävyys. 1000 tunnin neutraali suolasuihkutestin jälkeen pinnoite on ehjä eikä pinnalla ole selvää ruostekorroosiota, mikä osoittaa, että titaanipinnoite estää tehokkaasti syövyttäviä hiukkasia tunkeutumasta alustaan, mikä parantaa merkittävästi titaaniteräskomposiittilevyn käyttökykyä. meriympäristössä
