Verbundplatten aus Titanstahl haben in den letzten Jahren aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften von Stahl und der Korrosionsbeständigkeit von Titan in den Bereichen Erdöl-, Chemie-, Energie- und Schiffstechnik große Aufmerksamkeit erregt. Wenn Titan-Stahl-Verbundplatten jedoch in rauen Meeresumgebungen eingesetzt werden, kommt es aufgrund des Potenzialunterschieds zwischen Titan und Stahl zu galvanischer Korrosion an ihren Endflächen, was ihre Leistung während des tatsächlichen Betriebs beeinträchtigt. Daher ist die Anwendung geeigneter Methoden zur Schutzbehandlung der Endfläche von Titanstahl-Verbundplatten von großer Bedeutung und Wert. Derzeit gibt es jedoch kaum entsprechende Berichte. Weitere Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf die Vorbereitung von Beschichtungen auf der Oberfläche von Titan- oder Stahlplatten, um die Betriebsleistung des Substrats zu verbessern, hauptsächlich einschließlich thermischem Spritzen und Laserauftragschweißen. Das thermische Spritzverfahren ist hocheffizient, flexibel und einfach zu bedienen. Aufgrund des großen Temperaturbereichs seiner Wärmequelle treten jedoch häufig Defekte wie Poren in der Beschichtung auf und die thermische Restspannung ist relativ groß.
1. Vorbereitung der Titanbeschichtung
Das Substratmaterial ist eine Titanstahl-Verbundplatte, die von Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd. im Vakuumformverfahren hergestellt wird. Die Titanplatte ist 1,80 mm dick und die Stahlplatte ist 10,20 mm dick, wie in Abbildung 1 dargestellt. Bevor Sie die Titanbeschichtung vorbereiten, verwenden Sie SiC-Schleifpapier der Körnung 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # und 2000 # Polieren Sie das Substrat nacheinander und führen Sie anschließend 10 Minuten lang eine Ultraschallreinigung in Ethanol durch, um Verunreinigungen wie Öl und Rost von der Oberfläche der Probe zu entfernen. Das zum Kaltspritzen verwendete Titanpulver ist Ti-01, hergestellt vom Institut für Neue Materialien der Guangdong Academy of Sciences, mit einer Partikelgröße von 50-100 μm. Nach dem Sieben wird das Titanpulver 30 Minuten lang bei 120 Grad gebrannt, um den Einfluss von Feuchtigkeit auf die Qualität der Beschichtung zu reduzieren. Die Kaltspritzausrüstung wurde auf einer PCS1000 von Plasma Giken in Japan fertiggestellt.
Verwenden Sie eine Elektroentladungs-Drahtschneidemaschine, um die Probe zur Mikrostrukturcharakterisierung und Zusammensetzungsanalyse des Querschnittsabschnitts zu schneiden. Metallografische Proben werden durch mechanische Schleif- und Polierverfahren hergestellt. Als Ätzmittel wird eine salpetersaure Ethanollösung mit einem Volumenverhältnis von 1:19 verwendet. Die mikrostrukturellen Merkmale wurden mit OM (Leica DVM6M) und SEM (Phenom ProX), ausgestattet mit EDS, charakterisiert. Mikroskopische Untersuchung metallographischer Proben
Die Härte wurde mit einem Vickers-Mikrohärteprüfer mit einer Verweilzeit von 10 Sekunden und einer Belastung von 500 g gemessen. Die Messungen wurden alle 0,4 mm von der Beschichtungsoberfläche bis zum Substrat durchgeführt. Für den Reibungs- und Verschleißtest wird eine Hochgeschwindigkeits-Reibungs- und Verschleißtestmaschine mit einer Last von 20 N, einer Zeit von 10 Minuten, einer Frequenz von 1 Hz, einer Testlänge von 10 mm und GCr15-Stahlkugeln als Reibung verwendet Paar. Vor der elektrochemischen Prüfung wird die Probe mit Epoxidharz versiegelt, mit metallografischem Schleifpapier poliert, um Oberflächenoxide zu entfernen, mit Ethanol und reinem Wasser gereinigt und schließlich mit Heißluft getrocknet, um eine saubere Beschichtungsoberfläche zu erhalten. Der Versuch wird bei Raumtemperatur durchgeführt. Das Versuchsmedium ist eine simulierte Meerwasserlösung (3,5 % NaCl) unter Verwendung eines Drei-Elektroden-Systems. Die Probe ist die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode ist eine Platinplatte und die Referenzelektrode ist eine gesättigte Kalomelelektrode (SCE). Die elektrochemische Impedanzspektroskopie wurde auf einer elektrochemischen Workstation (CHI760E) bei einem Leerlaufpotential mit einer Testfrequenz von 105~10-2Hz und einem angelegten Störpotential von 10 mV getestet. Für den Salzsprühtest wird die Salzsprühkorrosionstestmaschine (EASS-100) des China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd. verwendet. Gemäß dem Korrosionstest in der Atmosphäre – Salzsprühtest (GB 10125-1997) besteht die Testlösung aus einer NaCl-Lösung mit 5 % Massenanteil und die Temperatur in der Sprühbox beträgt 35 Grad.
3. Der Einfluss von Gasdruck und Temperatur während der Pulverzufuhr auf die Mikrostruktur und Morphologie von Titanbeschichtungen
Einer der wichtigen Parameter beim Kaltspritzverfahren ist die kritische Geschwindigkeit der versprühten Partikel, bevor sie mit dem Substrat kollidieren. Für ein bestimmtes Matrixmaterial gibt es eine kritische Geschwindigkeit, bei der nur Partikel mit einer Geschwindigkeit größer als die kritische Geschwindigkeit abgeschieden werden können, um eine Beschichtung zu bilden, während Partikel mit einer Geschwindigkeit niedriger als die kritische Geschwindigkeit zurückprallen und die Beschichtung bilden. Die kritische Geschwindigkeit von Kaltspritzpartikeln hängt von Faktoren wie Materialdichte, Schmelzpunkt, Zugfestigkeit und anfänglicher Partikeltemperatur ab. Während des Kaltspritzverfahrens neigen Metalle wie Cu, Zn und Al zu einer starken plastischen Verformung der Partikel, was zu dichten Beschichtungen führt. Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts ist es jedoch schwierig, dichte Beschichtungen mit Ti durch die Kollisionsdeformationsabscheidungstheorie des Kaltspritzens zu erhalten. Allerdings haben einschlägige Studien gezeigt, dass eine Erhöhung der Temperatur und des Drucks des Pulverzufuhrgases die Porosität der Beschichtung wirksam reduzieren kann. Die Porosität der Beschichtung ist ein entscheidender Faktor für die Schutzleistung. Innerhalb des zulässigen Bereichs der Ausrüstung untersuchte der Autor den Einfluss der Temperatur und des Drucks des Pulverzufuhrgases auf die Mikrostruktur der Titanbeschichtung.
Abbildung 2 zeigt die metallografische Morphologie von Titanbeschichtungsproben, die unter verschiedenen Kombinationen von Druck- und Temperaturparametern des Pulverzufuhrgases hergestellt wurden. Da das Kaltspritzen zu den Festkörperabscheidungsverfahren gehört, hat es nur geringe thermische Auswirkungen auf das Substrat und die Partikel schmelzen während des Abscheidungsprozesses nicht. Daher sind die Titanplatte und die Stahlplatte auf der Substratseite intakt und Titanbeschichtungen können innerhalb des Temperatur- und Druckbereichs des untersuchten Pulverzufuhrgases hergestellt werden. Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass Druck und Temperatur des Pulverzufuhrgases kaum einen Einfluss auf die Beschichtungsdicke haben. Die unter mehreren Bedingungen innerhalb der gleichen Sprühzeit hergestellte Schichtdicke ist mit einer durchschnittlichen Dicke von 2,70 mm vergleichbar. Allerdings haben die Parameter des Pulverzufuhrgases einen erheblichen Einfluss auf die Struktur kaltgespritzter Titanbeschichtungen.
Abschluss
1) Die Erhöhung der Temperatur und des Drucks des Pulverzufuhrgases während des Kaltspritzverfahrens trägt nicht nur dazu bei, die Porosität der Beschichtung zu verringern und ihre Dichte zu verbessern, sondern unterdrückt auch die Delaminierung der Beschichtung und stärkt die innere Bindung der Beschichtung. Als die Temperatur und der Druck des Pulverzufuhrgases von 800 Grad bzw. 3 MPa auf 900 Grad bzw. 5 MPa erhöht wurden, verringerte sich die Porosität der Beschichtung von 4,25 % auf 1,14 %.
2) Aufgrund der niedrigen Temperatur des Pulverzufuhrgases während der Kaltspritzvorbereitung von Titanbeschichtungen wurde bei den hergestellten Titanbeschichtungen, die hauptsächlich aus metallischem Ti bestehen, keine nennenswerte Oxidation beobachtet. Gleichzeitig weist die Titanbeschichtung auf der Seite der Titanstahl-Verbundplatte unter höheren Temperatur- und Druckbedingungen des Pulverzufuhrgases (900 Grad und 5 MPa) eine gute Kompatibilität mit dem Substrat auf und weist aufgrund der konsistenten Zusammensetzung keine offensichtliche Grenzfläche auf; Die Grenzfläche zwischen der Titanbeschichtung und der Stahlplatte ist klar und es gibt keine nennenswerte Interdiffusion von Elementen.
3) Die Erhöhung der Temperatur oder des Drucks des Pulverzufuhrgases während des Kaltspritzverfahrens ist vorteilhaft für die Verstärkung der plastischen Verformung, die Verbesserung der Dichte der Beschichtung und damit die Verbesserung der Mikrohärte und Verschleißfestigkeit der Beschichtung. Die unter Verwendung von GCr15 als Reibungspaar hergestellte Titanbeschichtung mit einem Pulverzufuhrgasdruck von 5 MPa und einer Temperatur von 900 Grad zeigte eine Verschleißrate von 0,32 × 10-3mm3/(N · m) nach 10 Minuten Tragezeit unter einer Belastung von 20 N.
4) Die auf der Endfläche der Titanstahl-Verbundplatte vorbereitete kaltgespritzte Titanbeschichtung weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf. Nach 1000 Stunden neutralem Salzsprühtest ist die Beschichtung intakt und es gibt keine offensichtliche Rostkorrosion auf der Oberfläche, was darauf hinweist, dass die Titanbeschichtung das Eindringen korrosiver Partikel in das Substrat wirksam verhindert und dadurch die Betriebsleistung der Titan-Stahl-Verbundplatte erheblich verbessert in der Meeresumwelt
