Al2O3添加量對(duì)熱噴涂氧化鋁陶瓷涂層性能影響
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目的 研究Al2O3添加量對(duì)Cr2O3/TiO2/Al2O3/SiO2四元復(fù)合陶瓷涂層性能的影響。方法 采用熱噴涂技術(shù)在油氣管道X80管線鋼基體表面制備出具有不同Al2O3含量的四元復(fù)合陶瓷涂層。另外，為探究基體溫度對(duì)涂層性能的影響，所有涂層均在等離子噴槍預(yù)熱及室溫的兩種基體上制備。所制涂層的氣孔率、硬度、結(jié)合力及電化學(xué)腐蝕性能分別采用煮沸稱重法、維氏硬度計(jì)、劃痕儀、電化學(xué)工作站進(jìn)行檢測(cè)，并用X射線衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析不同Al2O3含量涂層的物相組成和形貌特征，研究Al2O3含量對(duì)涂層各性能的影響。結(jié)果 隨著Al2O3含量的增加，Cr2O3/TiO2/Al2O3/SiO2四元復(fù)合陶瓷涂層的氣孔率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，相對(duì)應(yīng)的四元復(fù)合陶瓷涂層的結(jié)合力、維氏硬度則先增加后降低。當(dāng)Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，四元復(fù)合陶瓷涂層的性能最優(yōu)，氣孔率為3.6%，硬度為824.6HV，結(jié)合力為53.8N。電化學(xué)腐蝕測(cè)試表明，Al2O3能增強(qiáng)涂層的耐腐蝕性能，Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%時(shí)，涂層自腐蝕電位最高，為-0.28 V。另外，在基體預(yù)熱和不預(yù)熱條件下，所制涂層性能隨Al2O3含量的變化一致，但是基體預(yù)熱比不預(yù)熱更有利于涂層性能的提高。結(jié)論 Al2O3的添加不僅能夠有效降低涂層Cr含量，還能顯著提升四元復(fù)合陶瓷涂層的各項(xiàng)性能，特別是耐腐蝕性。此外，熱噴涂前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，有利于涂層性能提高。
熱噴涂技術(shù)是一種將熔化或半熔融狀態(tài)的噴涂材料，通過高速氣流使其霧化噴射至零件表面的表面改性方法。通過熱噴涂技術(shù)能夠制備出優(yōu)于基體性能的表面功能涂層，可賦予材料表面耐腐蝕、耐磨損、抗高溫氧化、抗疲勞等優(yōu)異性能。熱噴涂技術(shù)作為熱噴涂技術(shù)的一種，因具有焰流溫度高、基體熱影響小、涂層平整、厚度可控、孔隙率低、雜質(zhì)含量少、噴涂參數(shù)可優(yōu)化、噴涂材料種類廣等優(yōu)點(diǎn)，成為制備高熔點(diǎn)涂層材料最常用的工藝。將高性能陶瓷作為噴涂材料，采用熱噴涂技術(shù)將金屬材料的韌性與陶瓷材料的抗腐蝕性、耐磨性、高硬度、強(qiáng)絕熱、低線膨脹系數(shù)、無污染性等優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，可滿足設(shè)備及其部件在苛刻條件下的使用。近年來，該技術(shù)逐漸應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域，在機(jī)械裝備與設(shè)備器件的修復(fù)、強(qiáng)化、防護(hù)方面取得了良好的效果。
目前主要采用以高含量Cr2O3為主要成分的單一、兩組元或三組元陶瓷涂層進(jìn)行管道表面改性，如Cr2O3/TiO2、Al2O3/Cr2O3與Cr2O3/TiO2/SiO2等復(fù)合陶瓷涂層材料等。Cr2O3與TiO2、Al2O3、SiO2等陶瓷涂層材料復(fù)合化的設(shè)計(jì)，有效提升了單一組元陶瓷涂層材料的致密度、力學(xué)性能及其應(yīng)用穩(wěn)定性。但是Cr2O3陶瓷材料存在價(jià)格相對(duì)昂貴的問題，且會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成污染。當(dāng)前，如何降低涂層成本和鉻含量成為了亟需解決的問題。此外，研究表明，在Al2O3陶瓷涂層材料中添加SiO2能夠使材料晶粒更加均勻化，并在晶粒間形成連續(xù)玻璃質(zhì)，抑制裂紋形成，阻礙裂紋擴(kuò)展等。結(jié)合文獻(xiàn)的研究結(jié)果可知，Cr2O3、TiO2、SiO2與Al2O3四種材料的兩兩組合或三三組合，可以制備出具有更加優(yōu)異性能的復(fù)合陶瓷涂層。因此，本論文嘗試制備Cr2O3/TiO2/Al2O3/SiO2四組元復(fù)合陶瓷涂層材料，以進(jìn)一步降低涂層中的Cr2O3含量及其成本。基于此，同時(shí)考慮到Al2O3材料的優(yōu)異性能及其低成本性，本論文在保持TiO2和SiO2含量一定的情況下，研究了不同Al2O3含量的Cr2O3/TiO2/Al2O3/SiO2四組元復(fù)合陶瓷涂層材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能與電化學(xué)腐蝕性能及其影響機(jī)制，探索了部分Al2O3取代Cr2O3的可能性，為油氣管道防護(hù)涂層的多樣化研究奠定了一定的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
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