Композитните панели от титаниева стомана получиха широко внимание в областта на петролното, химическото, енергийното и морското инженерство през последните години поради техните отлични механични свойства на стомана и устойчивост на корозия на титан. Въпреки това, когато композитните плочи от титаниева стомана се прилагат в сурови морски среди, техните краища претърпяват галванична корозия поради потенциалната разлика между титан и стомана, което влошава тяхната производителност по време на действително обслужване. Следователно приемането на подходящи методи за защитно третиране на челната повърхност на композитни плочи от титанова стомана е от голямо значение и стойност. Но в момента почти няма релевантни доклади. Повече изследвания са насочени към подготовката на покрития върху повърхността на титаниеви или стоманени плочи за подобряване на експлоатационните характеристики на субстрата, включително главно термично пръскане и лазерно облицоване. Процесът на термично пръскане има висока ефективност, гъвкава и проста работа, но поради широкия температурен диапазон на източника на топлина, дефекти като пори са склонни да се появят в покритието и остатъчното термично напрежение е сравнително голямо.
1. Подготовка на титаново покритие
Материалът на субстрата е композитна плоча от титанова стомана, произведена от Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd., използвайки метод на вакуумно формоване. Титановата плоча е с дебелина 1,80 mm, а стоманената плоча е с дебелина 10,20 mm, както е показано на фигура 1. Преди да подготвите титаниевото покритие, използвайте 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # и 2000 # SiC шкурка, за да полирайте субстрата последователно, последвано от ултразвуково почистване в етанол за 10 минути, за да отстраните замърсители като масло и ръжда по повърхността на пробата. Титановият прах, използван за студено пръскане, е Ti-01, произведен от Института за нови материали, Академия на науките в Гуандун, с размер на частиците 50-100 μm. След пресяване титановият прах се пече на 120 градуса за 30 минути, за да се намали влиянието на влагата върху качеството на покритието. Оборудването за студено пръскане беше завършено на PCS1000, произведен от Plasma Giken в Япония.
Използвайте машина за рязане с електроразрядна тел, за да изрежете пробата за характеризиране на микроструктурата и анализ на състава на напречното сечение. Металографските проби се приготвят чрез методи на механично шлайфане и полиране. Като ецващ агент се използва разтвор на азотна киселина в етанол с обемно съотношение 1:19. Микроструктурните характеристики бяха характеризирани с помощта на OM (Leica DVM6M) и SEM (Phenom ProX), оборудвани с EDS. Микроскопско изследване на металографски проби
Твърдостта се измерва с помощта на тестер за микротвърдост на Викерс с време на престой от 1 0 секунди и натоварване от 500 g. Измерванията се правят на всеки 0,4 mm от повърхността на покритието до субстрата. Тестът за триене и износване използва високоскоростна възвратно-постъпателна машина за изпитване на триене и износване, с натоварване от 20 N, време от 10 минути, честота от 1 Hz, дължина на теста от 10 mm и стоманени топки GCr15 като триене двойка. Преди електрохимичния тест пробата се запечатва с епоксидна смола, полира се с металографска шкурка за отстраняване на повърхностните оксиди, почиства се с етанол и чиста вода и накрая се изсушава с горещ въздух, за да се получи чиста повърхност на покритие. Експериментът се провежда при стайна температура. Експерименталната среда е симулиран разтвор на морска вода (3,5% NaCl), използващ три електродна система. Пробата е работният електрод, противоположният електрод е платинена пластина, а референтният електрод е наситен каломелов електрод (SCE). Електрохимичната импедансна спектроскопия беше тествана на електрохимична работна станция (CHI760E) при потенциал на отворена верига, с тестова честота от 105~10-2Hz и приложен потенциал на смущение от 10 mV. Машината за тестване на корозия от солен спрей (EASS-100) на China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd. се използва за теста за солен спрей. Съгласно теста за корозия в атмосферата - тест със солен спрей (GB 10125-1997), тестовият разтвор е 5% разтвор на NaCl по масова фракция, а температурата в кутията за пръскане е 35 градуса.
3. Влиянието на налягането и температурата на газа по време на подаване на прах върху микроструктурата и морфологията на титаниеви покрития
Един от важните параметри в процеса на студено пръскане е критичната скорост на напръсканите частици, преди да се сблъскат със субстрата. За даден материал на матрицата съществува критична скорост, при която само частици със скорост, по-голяма от критичната скорост, могат да бъдат отложени, за да образуват покритие, докато частици със скорост, по-ниска от критичната скорост, ще отскочат обратно, за да образуват покритието. Критичната скорост на частиците при студен спрей зависи от фактори като плътност на материала, точка на топене, крайна якост на опън и начална температура на частиците. По време на процеса на студено пръскане метали като Cu, Zn и Al са склонни към голяма пластична деформация на частиците, което води до плътни покрития. Въпреки това, Ti, поради високата си точка на топене, е трудно да се получат плътни покрития чрез теорията за отлагане на деформация при сблъсък на студено пръскане. Съответни проучвания обаче показват, че повишаването на температурата и налягането на подаващия прах газ може ефективно да намали порьозността на покритието. Порьозността на покритието е ключов фактор, влияещ върху неговите защитни характеристики. В рамките на допустимия диапазон на оборудването авторът изследва влиянието на температурата и налягането на подаващия прах газ върху микроструктурата на титановото покритие.
Фигура 2 показва металографската морфология на проби от титаниево покритие, приготвени при различни комбинации от налягане и температурни параметри на подаващ прах газ. Поради факта, че студеното пръскане принадлежи към метода на отлагане в твърдо състояние, то има малко термично въздействие върху субстрата и частиците не се стопяват по време на процеса на отлагане. Следователно титановата плоча и стоманената плоча от страната на субстрата са непокътнати и титаниеви покрития могат да бъдат приготвени в диапазона на температурата и налягането на изследвания газ за подаване на прах. От Фигура 2 може да се види, че налягането и температурата на захранващия прах газ имат малък ефект върху дебелината на покритието. Дебелината на покритието, приготвено при няколко условия в рамките на едно и също време за пръскане, е сравнима със средна дебелина от 2,70 mm. Въпреки това, параметрите на подаващия прах газ оказват значително влияние върху структурата на студено напръсканите титанови покрития.
Заключение
1) Повишаването на температурата и налягането на подаващия прах газ по време на процеса на студено пръскане не само помага за намаляване на порьозността на покритието и подобряване на неговата плътност, но също така потиска разслояването на покритието и укрепва вътрешното свързване на покритието. Когато температурата и налягането на захранващия прах газ бяха увеличени от 800 градуса и 3 MPa до 900 градуса и 5 MPa, съответно, порьозността на покритието намаля от 4,25% на 1,14%.
2) Поради ниската температура на подаващия прах газ по време на приготвянето на титанови покрития със студено пръскане, не се наблюдава значително окисление в приготвените титанови покрития, които се състоят главно от метален Ti. В същото време, при по-високи условия на температура и налягане на подаващ прах газ (900 градуса и 5 MPa), титаниевото покритие от страната на композитната плоча от титанова стомана има добра съвместимост със субстрата и няма очевиден интерфейс поради последователния състав; Интерфейсът между титаниевото покритие и стоманената плоча е ясен и няма значителна взаимна дифузия на елементи.
3) Повишаването на температурата или налягането на захранващия прах газ по време на процеса на студено пръскане е от полза за укрепване на пластичната деформация, подобряване на плътността на покритието и по този начин повишаване на микротвърдостта и устойчивостта на износване на покритието. Титаниевото покритие, приготвено с помощта на GCr15 като фрикционна двойка, с налягане на подаващ прах газ от 5 MPa и температура от 900 градуса, показва степен на износване от 0,32 × 10-3 mm3/(N · м) след 10 минути износване при натоварване от 20 N.
4) Студено напръсканото титаново покритие, приготвено върху челната повърхност на композитната плоча от титанова стомана, има добра устойчивост на корозия. След 1000 часа тест с неутрален солен спрей, покритието е непокътнато и няма очевидна корозия от ръжда по повърхността, което показва, че титаниевото покритие ефективно предотвратява проникването на корозивни частици в субстрата, като по този начин значително подобрява експлоатационните характеристики на композитната плоча от титанова стомана в морска среда
