耐蝕ZnNi-Al2O3涂層冷噴涂過程數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化.pdf

1、船舶內(nèi)艙等部位處于高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境，腐蝕條件苛刻。有機(jī)涂層難以提供長效防護(hù)，又由于空間有限難于維護(hù)，成為船舶腐蝕的突出問題。鋅鎳涂層是解決苛刻環(huán)境中腐蝕的有效途徑，但是傳統(tǒng)方法成本高，工藝復(fù)雜，在狹窄空間內(nèi)施工受限。冷噴涂技術(shù)作為一種解決方法，顯示了較強的優(yōu)勢，但是現(xiàn)有技術(shù)存在堵塞噴槍，涂層組份難控制等問題，有待于進(jìn)一步研究改善。
　　本文采用數(shù)值仿真方法對耐蝕鋅鎳復(fù)合涂層冷噴涂制備過程和工藝進(jìn)行研究：首先計算下游側(cè)向送粉噴

2、嘴內(nèi)的流體分布特征，分析顆粒在噴嘴內(nèi)的運動特性以及對噴嘴的沖刷作用。設(shè)計了下游軸向送粉噴嘴，研究了該噴嘴的特征結(jié)構(gòu)參數(shù)對噴嘴內(nèi)流態(tài)和虹吸現(xiàn)象的影響，并驗證噴涂效果。提出并研究了板前設(shè)置針尖障礙的方法改善微納米顆粒的加速行為。通過數(shù)值模擬方法和實驗研究了不同工藝參數(shù)碰撞沉積特征和效率。最后對鋅鎳復(fù)合涂層腐蝕防護(hù)性能、電化學(xué)行為進(jìn)行評價，并與高壓冷噴涂和火焰噴涂鋅鎳涂層進(jìn)行了對比。
　　研究結(jié)果表明，收縮-膨脹-延長形式的噴嘴在延長管

3、內(nèi)部可形成穩(wěn)定負(fù)壓，在此之前虹吸不穩(wěn)定。前氣室壓力和溫度對虹吸量影響很小，位置和尺寸則對虹吸量影響很大?，F(xiàn)有商業(yè)化設(shè)備，顆粒進(jìn)入噴嘴后與噴嘴內(nèi)壁的撞擊角度約接近30°，導(dǎo)致磨損行為最嚴(yán)重，數(shù)值模擬的應(yīng)力集中和實驗結(jié)果都較為吻合。該型設(shè)備的噴嘴，絕大部分鋅顆粒都能達(dá)到臨界沉積速度，只有很小一部分（<20μm）鎳顆粒能達(dá)到臨界沉積速度。
　　設(shè)計的下游軸向送粉噴嘴的粉末束直徑只有2mm，且嚴(yán)格的約束在中心線附近，不會對噴嘴內(nèi)壁造成磨損

4、，可有效改善噴嘴壽命。其中，縮放管環(huán)形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致最大速度氣流分布在壁面的位置，虹吸的氣體在延長管內(nèi)與主氣混合最終發(fā)展為高速氣流，與傳統(tǒng)噴嘴的流速相比普遍低100m/s。在不同入口溫度和入口壓力下，送粉管內(nèi)的氣體流量變化很小，變化范圍僅為2.74～2.77kg/s。對膨脹比3.25的噴嘴驗證結(jié)果表明，可達(dá)到鎳顆粒的臨界沉積速度。
　　提出了針狀障礙方法改善板前壓縮層減速作用，直接噴涂大于0.5μm的微納米顆粒是可行的。其中1μm的鎳顆

5、粒在基體上的有效撞擊速度為733m/s，0.5μm的顆粒560m/s。而在相同條件下的平板基體表面，顆粒的速度僅為372m/s。而相同情況下，0.2和0.1μm的鎳顆粒的有效撞擊速度僅有不足200m/s。
　　碰撞過程的數(shù)值研究結(jié)果表明：陶瓷不能單純沉積，依靠鑲嵌作用分散涂層中，且氧化鋁會阻礙涂層沉積，陶瓷的沉積會降低涂層性能。影響沉積效率間的工藝主要有載氣溫度、壓力，氧化鋁含量，噴嘴移動速度等。沉積效率隨溫度和壓力升高而升高，氧

6、化鋁在涂層中的含量會由30％降低到15～22%。
　　相比于火焰噴涂和球磨合金化高壓噴涂方式，低壓冷噴涂方法可直接沉積鋅鎳復(fù)合涂層。涂層的結(jié)合強度均接近30MPa，比火焰噴涂提升了一倍，涂層的厚度可控，經(jīng)2000h鹽霧試驗未失效，耐蝕性良好。在海水中的腐蝕行為：浸泡初期鋅活性溶解，鋅離子與OH-形成Zn(OH)2，之后與Cl-作用形成ZnO和ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O。鎳含量高時，向ZnCl2·4Zn(OH)2·H2O轉(zhuǎn)