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等离子喷涂耐液锌腐蚀内加热套管涂层的研究

樊超  
【摘要】:本试验采取复合涂层的设计思路,依靠等离子喷涂技术,在低碳钢管表面依次喷涂Fe-Al合金涂层,Fe-Al_2O_3-FeAl_2O_4复合涂层和ZrO_2涂层(封孔),制备出一种耐液锌腐蚀、强度高、韧性好、导热性强的内加热套管,节约了能源,提高了效率。 首先,采用喷雾造粒法制备Al-Fe_2O_3复合粉末。制得的复合粉末平均物性为:收集率60%左右,松装密度约0.97kg/cm,流动性7.5s/50g。喷雾造粒法的最佳工艺参数为:胶含量X,固含量Y,雾化压力Z,干燥温度W1。 其次,喷涂不同比例Al、Fe_2O_3复合粉末,得出涂层的主要物相为Fe、Al_2O_3、FeAl_2O_4和FeAl合金,且随着原始粉末中铝含量的增加,涂层中的Fe含量越多,铁的氧化物由Fe3O_4逐渐转变为FeO。当Al粉与Fe_2O_3粉重量比达到1:2时,铁的氧化物彻底消失,反应最完全,且与其他比例涂层相比1:2含有的Fe相最多。当比例达到1:1时,复合涂层中的主相由FeAl_2O_4转变为Fe-Al合金,其中1:1为FeAl,2:1为FeAl和FeAl2,3:1为FeAl和FeAl_3(Fe24Al76.8),尤其是当比例达到3:1时,涂层的层状结构基本消失,还出现了大量未反应的Al粉。 研究还发现,随着原始粉末铝含量的增加,涂层的导热性越好,抗热震性能越差,耐蚀性越差。综合考虑,选取铝铁比例为1:2的复合涂层作为内加热套管涂层的中间层,既保证了涂层的耐液锌腐蚀能力,又使得涂层具有良好的导热性能和一定的抗热震性能。 通过耐液锌腐蚀试验,得出了FeAl_2O_4复合涂层和ZrO_2涂层的腐蚀过程。FeAl_2O_4复合涂层的腐蚀:Zn液以Zn原子的形式首先进入复合涂层中的FeAl_2O_4相,与Al原子发生置换,形成溶Zn的FeAl_2O_4固溶体-Zn(Fe_xAl_(2-x))O_4,随着腐蚀的进行,Zn(Fe_xAl_(2-x))O_4先逐渐转变成(Zn_(1-x)Fe_x)(ZnxFe2-x)O_4和Zn1+xO,(Zn_(1-x)Fe_x)(ZnxFe2-x)O_4最终被腐蚀成树枝状和不规则状Fe-Zn合金,涂层破坏。ZrO_2涂层的腐蚀过程是c-ZrO_2和Zr0.92Y0.08O1.96→Zr0.82Y0.18O1.91的分解过程,当腐蚀到1440h时涂层的主相完全发生了分解,整个涂层变成了不稳定的状态,涂层破碎。经测定,内加热套管复合涂层的腐蚀寿命为1200h左右。 展望,由于纳米ZrO_2涂层具有组织致密,孔隙较少,弹性模量小等特性,具有比微米ZrO_2涂层更优越的耐锌蚀性能,经测定,涂层腐蚀2160h不粘锌。


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