Композитные панели из титановой стали в последние годы привлекли широкое внимание в нефтяной, химической, энергетической и морской промышленности благодаря своим превосходным механическим свойствам стали и коррозионной стойкости титана. Однако когда композитные пластины из титановой стали применяются в суровых морских условиях, их торцы подвергаются гальванической коррозии из-за разницы потенциалов между титаном и сталью, что ухудшает их характеристики во время реальной эксплуатации. Поэтому применение соответствующих методов защитной обработки торцевой поверхности композитных пластин из титановой стали имеет большое значение и ценность. Но на данный момент соответствующих сообщений почти нет. Дополнительные исследования сосредоточены на подготовке покрытий на поверхности титановых или стальных пластин для улучшения эксплуатационных характеристик подложки, в основном включая термическое напыление и лазерную наплавку. Процесс термического напыления отличается высокой эффективностью, гибкостью и простотой эксплуатации, но из-за широкого диапазона температур источника тепла в покрытии склонны возникать такие дефекты, как поры, а остаточное термическое напряжение относительно велико.
1. Подготовка титанового покрытия
Материалом подложки является композитная пластина из титановой стали, производимая компанией Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd. методом вакуумной формовки. Титановая пластина имеет толщину 1,80 мм, а стальная пластина — 10,20 мм, как показано на рисунке 1. Перед подготовкой титанового покрытия используйте наждачную бумагу SiC 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # и 2000 #, чтобы последовательно отполируйте подложку с последующей ультразвуковой очисткой в этаноле в течение 10 минут для удаления загрязнений, таких как масло и ржавчина, с поверхности образца. Титановый порошок, используемый для холодного напыления, представляет собой Ti-01 производства Института новых материалов Академии наук Гуандуна с размером частиц 50-100 мкм. После просеивания титановый порошок запекается при температуре 120 градусов в течение 30 минут, чтобы уменьшить влияние влаги на качество покрытия. Оборудование для холодного напыления было установлено на PCS1000 производства Plasma Giken в Японии.
Используйте электроразрядную машину для резки проволоки, чтобы разрезать образец для определения микроструктуры и анализа состава поперечного сечения. Металлографические образцы готовят методами механического шлифования и полировки. В качестве травителя используют раствор азотной кислоты в этаноле с объемным соотношением 1:19. Микроструктурные особенности были охарактеризованы с помощью OM (Leica DVM6M) и SEM (Phenom ProX), оснащенных EDS. Микроскопическое исследование металлографических образцов
Твердость измеряли с помощью микротвердомера Виккерса со временем пребывания 10 секунды и нагрузкой 500 г. Измерения проводились через каждые 0,4 мм от поверхности покрытия до подложки. Для испытания на трение и износ используется высокоскоростная машина для испытания на трение и износ с возвратно-поступательным движением, с нагрузкой 20 Н, временем 10 минут, частотой 1 Гц, длиной испытания 10 мм и стальными шариками GCr15 в качестве средства трения. пара. Перед электрохимическими испытаниями образец герметизируют эпоксидной смолой, полируют металлографической наждачной бумагой для удаления поверхностных оксидов, очищают этанолом и чистой водой и окончательно сушат горячим воздухом до получения чистой поверхности покрытия. Эксперимент проводится при комнатной температуре. Экспериментальная среда представляет собой искусственный раствор морской воды (3,5% NaCl) с использованием трехэлектродной системы. Образец представляет собой рабочий электрод, противоэлектрод — платиновую пластину, электрод сравнения — насыщенный каломельный электрод (НКЭ). Электрохимическая импедансная спектроскопия была протестирована на электрохимической рабочей станции (CHI760E) при потенциале разомкнутой цепи с частотой тестирования 105~10-2Гц и приложенным потенциалом помех 10 мВ. Для испытаний на коррозию в солевом тумане используется машина для испытаний на коррозию в солевом тумане (EASS-100) компании China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd.. В соответствии с испытанием на коррозию в атмосфере — испытание на солевой туман (GB 10125-1997) испытательный раствор представляет собой 5% раствор NaCl по массовой доле, а температура в распылительной камере составляет 35 градусов.
3. Влияние давления газа и температуры при подаче порошка на микроструктуру и морфологию титановых покрытий.
Одним из важных параметров процесса холодного напыления является критическая скорость распыляемых частиц до их столкновения с подложкой. Для данного матричного материала существует критическая скорость, при которой только частицы со скоростью, превышающей критическую скорость, могут осаждаться с образованием покрытия, тогда как частицы со скоростью ниже критической скорости будут отскакивать назад, образуя покрытие. Критическая скорость частиц холодного распыления зависит от таких факторов, как плотность материала, температура плавления, предел прочности на разрыв и начальная температура частиц. В процессе холодного напыления такие металлы, как Cu, Zn и Al, склонны к большой пластической деформации частиц, что приводит к образованию плотных покрытий. Однако Ti из-за его высокой температуры плавления трудно получить плотные покрытия с помощью теории столкновительного деформационного осаждения холодного напыления. Однако соответствующие исследования показали, что повышение температуры и давления газа, питающего порошок, позволяет эффективно снизить пористость покрытия. Пористость покрытия является ключевым фактором, влияющим на его защитные характеристики. В допустимом диапазоне оборудования автор исследовал влияние температуры и давления газа подачи порошка на микроструктуру титанового покрытия.
На рис. 2 представлена металлографическая морфология образцов титанового покрытия, полученных при различных сочетаниях давления и температуры газа подачи порошка. В связи с тем, что холодное напыление относится к методу твердотельного осаждения, оно оказывает незначительное термическое воздействие на подложку, а частицы не плавятся в процессе осаждения. Таким образом, титановая пластина и стальная пластина со стороны подложки остаются неповрежденными, и титановые покрытия могут быть получены в диапазоне температур и давлений исследуемого газа, подающего порошок. Из рисунка 2 видно, что давление и температура газа, подающего порошок, мало влияют на толщину покрытия. Толщина покрытия, полученного в нескольких условиях за одно и то же время распыления, сопоставима и составляет в среднем 2,70 мм. Однако параметры газа подачи порошка оказывают существенное влияние на структуру холоднонапыленных титановых покрытий.
Заключение
1) Повышение температуры и давления газа подачи порошка в процессе холодного напыления не только способствует уменьшению пористости покрытия и повышению его плотности, но также подавляет расслоение покрытия и усиливает внутреннюю связь покрытия. При увеличении температуры и давления газа подачи порошка с 800 градусов и 3 МПа до 900 градусов и 5 МПа соответственно пористость покрытия снизилась с 4,25% до 1,14%.
2) Из-за низкой температуры подаваемого порошка газа при холодном напылении титановых покрытий не наблюдалось значительного окисления полученных титановых покрытий, которые в основном состоят из металлического титана. В то же время, в условиях более высокой температуры и давления подаваемого порошка газа (900 градусов и 5 МПа) титановое покрытие на стороне композитной пластины из титановой стали имеет хорошую совместимость с подложкой и не имеет очевидного интерфейса из-за постоянного состава; Граница между титановым покрытием и стальной пластиной четкая, существенной взаимной диффузии элементов нет.
3) Повышение температуры или давления газа, питающего порошок, в процессе холодного напыления выгодно для усиления пластической деформации, повышения плотности покрытия и, следовательно, повышения микротвердости и износостойкости покрытия. Титановое покрытие, полученное с использованием GCr15 в качестве пары трения, при давлении газа подачи порошка 5 МПа и температуре 900 градусов, показало скорость изнашивания 0,32 × 10-3мм3/(Н · м) через 10 минут ношения под нагрузкой 20 Н.
4) Титановое покрытие холодного напыления, нанесенное на торцевую поверхность композитной пластины из титановой стали, обладает хорошей коррозионной стойкостью. После 1000 часов испытания в нейтральном солевом тумане покрытие остается неповрежденным и на поверхности не наблюдается явной ржавчины, что указывает на то, что титановое покрытие эффективно предотвращает проникновение коррозионных частиц в подложку, тем самым значительно улучшая эксплуатационные характеристики композитной пластины из титановой стали. в морской среде
