【摘要】：熔融金屬腐蝕是最常見的材料失效形式之一,尤其是熔融鋅及鋁具有強烈的腐蝕性,與絕大多數(shù)金屬或合金發(fā)生反應(yīng),形成鐵鋅合金和鐵鋁合金化合物,不斷消耗金屬中的鐵,導(dǎo)致金屬材料失效。熱浸鍍是預(yù)防金屬腐蝕的有效方法之一。在熱鍍鋅和熱鍍鋅鋁工藝條件下,鋅鍋中的沉沒輥和穩(wěn)定輥受到熔融金屬的腐蝕和磨損,使用壽命很短,直接影響著產(chǎn)品質(zhì)量和工作效率。采用熱噴涂方法制備金屬、陶瓷或復(fù)合材料涂層是一種可以提高這些構(gòu)件壽命的途徑,國內(nèi)外也有一些應(yīng)用的報道,但大多是涉及應(yīng)用效果和工藝方法,而關(guān)于失效機理研究則較少。本文研究了碳化物陶瓷涂層和氧化物陶瓷涂層在鋅液和鋅鋁液中的腐蝕過程,并根據(jù)實驗結(jié)果改進了涂層材料的結(jié)構(gòu)體系和成分變化,提高涂層的耐腐蝕性能。研究結(jié)果表明,WC-Co陶瓷材料在460℃的鋅液中主要失效形式是擴散腐蝕,鋅與粘結(jié)相鈷化合形成CoZn_(13)(γ2)硬脆相。該相與涂層中各組分的彈性模量相差很大,在熱應(yīng)力作用下,涂層中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,導(dǎo)致涂層開裂并失效;Cr_3C_2-NiCr陶瓷材料失效形式是涂層表面微小的孔洞存在,生成多孔疏松的Ni Zn_8(δ)相,將陶瓷相從涂層表層中剝離。優(yōu)化后的WC陶瓷材料耐腐蝕性能有所提高,主要是加入了Cr、Mo、W等高熔點金屬,使得鋅和鋁腐蝕擴散變得緩慢。研究結(jié)果表明,Cr、Mo、W平鋪于粘結(jié)相表面,與陶瓷相連接在一起形成了“屏蔽效應(yīng)”,有效的阻止了鋅液和鋁液的滲入,降低了與粘結(jié)相發(fā)生反應(yīng)生成脆性化合物的速率。等離子噴涂Al_2O_3和Zr O_2陶瓷涂層在鋅液和鋅鋁液中的失效機理是因為陶瓷涂層存在一定數(shù)量的孔隙,脆性較大,與基體的熱膨脹系數(shù)差異性大。隨著腐蝕時間的增加,在涂層表面首先形成細微裂紋,并逐漸向涂層內(nèi)部開始擴展,但由于不是垂直于涂層的貫穿性裂紋,因此這些裂紋不會形成腐蝕通道。隨著裂紋的繼續(xù)擴展,涂層出現(xiàn)層狀剝離的現(xiàn)象,尤其是與粘結(jié)層的剝離,是導(dǎo)致涂層失效的主要原因。由此可見,單一的Al_2O_3和ZrO_2陶瓷涂層難以具有良好的使用壽命,必須提高陶瓷涂層與粘結(jié)層的結(jié)合強度及陶瓷相的韌性。改進后的NiCoCr AlY/Al_2O_3和Mo/A1_2O_3梯度涂層由于減緩了界面處熱膨脹系數(shù)的突變,使得界面處的應(yīng)力集中減少,對裂紋的擴展起到延緩和抑制的作用,涂層抗裂性能增強。金屬粘結(jié)層韌性好,微裂紋形核、擴展阻力大。在熱震過程中,梯度涂層的熱穩(wěn)定性明顯高于單一的Al_2O_3涂層,說明采用梯度涂層能減少涂層與基體熱膨脹系數(shù)的差異,提高了涂層的疲勞壽命。在鋅和鋅鋁液腐蝕過程中,NiCoCrAlY/Al_2O_3梯度涂層的失效形式仍為剝離失效。陶瓷涂層內(nèi)的孔隙產(chǎn)生應(yīng)力集中,形成裂紋源并迅速擴展。鋅液沿著孔隙和裂紋進入到涂層內(nèi)部,削弱涂層間的結(jié)合力,導(dǎo)致涂層失效。Mo/A1_2O_3梯度涂層主要失效原因是涂層中的孔隙和裂紋擴展,在其界面處結(jié)合薄弱部位Mo發(fā)生氧化,生成的氧化物削弱了涂層的結(jié)合力,導(dǎo)致涂層裂紋開始擴展并最終失效。
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG174.4
【圖文】：

第 1 章 緒論δ 相快速轉(zhuǎn)變?yōu)?ζ 相，即鐵鋅腐蝕的最終產(chǎn)物 FeZn13。另一種觀到金屬表面之后，鋅原子向輥金屬表層擴散，由于 ζ 相的自由能低蝕產(chǎn)物。ζ 相 FeZn11晶體結(jié)構(gòu)簡單，屬于金屬性的離子鍵結(jié)構(gòu)，物，因此認為 ζ 相是最早出現(xiàn)的腐蝕產(chǎn)物。隨著腐蝕過程的繼續(xù)進繼續(xù)向 ζ 相中滲入，ζ 相中鐵元素增加，腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)變?yōu)橹虚g相 物Г 相[23]。

圖 1.2 Fe-Al 二元合金相圖Fig.1.2 Fe-Al binary phase diagram實際生產(chǎn)中，由于基體表面凸凹不平，鋁向基體內(nèi)擴散受到表處，鋁原子擴散方向集中，基體濃度大，形成 FeAl3的量大；方向發(fā)散，基體濃度小，形成 Fe2Al5的量大，因此造成 FeAl3勻。由此造成的不規(guī)則應(yīng)力使得在交界處 FeAl3和 Fe2Al5內(nèi)部體的滲入提供了通道，造成連續(xù)腐蝕直至脫落。上述腐蝕現(xiàn)象行，最終導(dǎo)致基體失效。關(guān)文獻中尚沒有關(guān)于 FeAl3相厚度的相關(guān)數(shù)據(jù)，這一方面是由于進行檢測，甚至有的時候觀察不到；另一方面分析指出腐蝕時僅占整體 FeAl3相的一小部分，冷卻過程中鐵富集所導(dǎo)致的共晶分附著在基體上，其余則呈盤條狀散落分布于靠近界面的鋁熔 FeAl3相的剝落也為其定量分析帶來了難度。因此，關(guān)于鐵基材主要集中在 Fe2Al5相生長過程的分析。

圖 1.3 鋅鍋沉沒輥機構(gòu)Fig.1.3 Sink roll device in zinc bath表面防腐發(fā)展趨勢熱鍍鋅鋼板已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)和生活中，人們已經(jīng)越輥使用壽命和質(zhì)量[108-109]。無論是在國內(nèi)還是在國外都對噴涂工量、電流電壓等和噴涂用材料，如使用何種噴涂材料進行了大究成果已經(jīng)有了很大的進步。然而液態(tài)鋅對涂層的腐蝕失效機了反應(yīng)，生成低熔點合金或直接溶解于鋅液中，使涂層分解、護效果。如果能夠?qū)ふ业礁鼉?yōu)化的涂層材料配比和噴涂工藝，結(jié)合強度，提高涂層的耐熔鋅腐蝕性能[110-111]。因此在此方面仍（1）優(yōu)化噴涂工藝，提高涂層各方面的性能，例如減少涂層缺耐磨性和韌性，增強涂層與基體的結(jié)合強度；（2）優(yōu)化涂層結(jié)結(jié)構(gòu)變化，提高涂層耐鋅及鋅鋁液的腐蝕能力。主要研究內(nèi)容

【參考文獻】

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本文編號：2767471