Negli ultimi anni i pannelli compositi in acciaio al titanio hanno ricevuto ampia attenzione nei settori petrolifero, chimico, energetico e dell'ingegneria navale grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche dell'acciaio e alla resistenza alla corrosione del titanio. Tuttavia, quando le piastre composite in acciaio al titanio vengono applicate in ambienti marini difficili, le loro facce terminali subiscono corrosione galvanica a causa della differenza potenziale tra titanio e acciaio, che ne deteriora le prestazioni durante il servizio effettivo. Pertanto, l'adozione di metodi appropriati per il trattamento protettivo della faccia terminale delle piastre composite in acciaio al titanio è di grande importanza e valore. Ma al momento non ci sono quasi rapporti rilevanti. Ulteriori ricerche si concentrano sulla preparazione di rivestimenti sulla superficie di piastre di titanio o acciaio per migliorare le prestazioni di servizio del substrato, comprendendo principalmente la spruzzatura termica e il rivestimento laser. Il processo di spruzzatura termica ha un'elevata efficienza, un funzionamento flessibile e semplice, ma a causa dell'ampio intervallo di temperature della sua fonte di calore, è probabile che si verifichino difetti come i pori nel rivestimento e lo stress termico residuo è relativamente ampio.
1. Preparazione del rivestimento in titanio
Il materiale del substrato è una piastra composita in acciaio al titanio prodotta da Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd. utilizzando il metodo di formatura sotto vuoto. La piastra in titanio ha uno spessore di 1,80 mm e la piastra in acciaio ha uno spessore di 10,20 mm, come mostrato nella Figura 1. Prima di preparare il rivestimento in titanio, utilizzare carta vetrata SiC 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # e 2000 # per lucidare il substrato in sequenza, seguito da pulizia ad ultrasuoni in etanolo per 10 minuti per rimuovere contaminanti come olio e ruggine sulla superficie del campione. La polvere di titanio utilizzata per la spruzzatura a freddo è Ti-01 prodotta dall'Institute of New Materials, Guangdong Academy of Sciences, con una dimensione delle particelle di 50-100 μ m. Dopo la setacciatura, la polvere di titanio viene cotta a 120 gradi per 30 minuti per ridurre l'impatto dell'umidità sulla qualità del rivestimento. L'attrezzatura per la spruzzatura a freddo è stata completata su PCS1000 prodotto da Plasma Giken in Giappone.
Utilizzare una macchina per il taglio del filo a scarica elettrica per tagliare il campione per la caratterizzazione della microstruttura e l'analisi della composizione della sezione trasversale. I campioni metallografici vengono preparati mediante metodi meccanici di levigatura e lucidatura. Come mordenzante viene utilizzata una soluzione di acido nitrico e etanolo con un rapporto in volume di 1:19. Le caratteristiche microstrutturali sono state caratterizzate utilizzando OM (Leica DVM6M) e SEM (Phenom ProX) dotati di EDS. Esame microscopico di campioni metallografici
La durezza è stata misurata utilizzando un microdurometro Vickers con un tempo di residenza di 10 secondi e un carico di 500 g. Le misurazioni sono state effettuate ogni 0,4 mm dalla superficie del rivestimento al substrato. Il test di attrito e usura adotta una macchina per prove di attrito e usura alternativa ad alta velocità, con un carico di 20 N, un tempo di 10 minuti, una frequenza di 1 Hz, una lunghezza di prova di 10 mm e sfere in acciaio GCr15 come attrito paio. Prima del test elettrochimico, il campione viene sigillato con resina epossidica, lucidato con carta vetrata metallografica per rimuovere gli ossidi superficiali, pulito con etanolo e acqua pura e infine asciugato con aria calda per ottenere una superficie di rivestimento pulita. L'esperimento viene condotto a temperatura ambiente. Il mezzo sperimentale è una soluzione simulata di acqua di mare (3,5% NaCl), utilizzando un sistema a tre elettrodi. Il campione è l'elettrodo di lavoro, il controelettrodo è una piastra di platino e l'elettrodo di riferimento è un elettrodo al calomelano saturo (SCE). La spettroscopia di impedenza elettrochimica è stata testata su una workstation elettrochimica (CHI760E) a un potenziale a circuito aperto, con una frequenza di test di 105~10-2Hz e un potenziale di disturbo applicato di 10 mV. Per il test in nebbia salina viene utilizzata la macchina per test di corrosione in nebbia salina (EASS-100) del China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd. Secondo il test di corrosione in atmosfera - test in nebbia salina (GB 10125-1997), la soluzione di prova è una soluzione di NaCl al 5% per frazione di massa e la temperatura nella scatola di spruzzatura è di 35 gradi.
3.Influenza della pressione e della temperatura del gas durante l'alimentazione della polvere sulla microstruttura e sulla morfologia dei rivestimenti in titanio
Uno dei parametri importanti nel processo di spruzzatura a freddo è la velocità critica delle particelle spruzzate prima che entrino in collisione con il substrato. Per un dato materiale della matrice, esiste una velocità critica alla quale solo le particelle con una velocità maggiore della velocità critica possono essere depositate per formare un rivestimento, mentre le particelle con una velocità inferiore alla velocità critica rimbalzano indietro per formare il rivestimento. La velocità critica delle particelle di spruzzo freddo dipende da fattori quali la densità del materiale, il punto di fusione, il carico di rottura e la temperatura iniziale delle particelle. Durante il processo di spruzzatura a freddo, metalli come Cu, Zn e Al sono soggetti a un'ampia deformazione plastica delle particelle, con conseguente formazione di rivestimenti densi. Tuttavia, il Ti, a causa del suo elevato punto di fusione, è difficile da ottenere rivestimenti densi attraverso la teoria della deposizione per deformazione per collisione della spruzzatura a freddo. Tuttavia, studi pertinenti hanno dimostrato che l’aumento della temperatura e della pressione del gas di alimentazione della polvere può ridurre efficacemente la porosità del rivestimento. La porosità del rivestimento è un fattore chiave che ne influenza le prestazioni protettive. Nell'intervallo consentito dall'apparecchiatura, l'autore ha studiato l'influenza della temperatura e della pressione del gas di alimentazione della polvere sulla microstruttura del rivestimento in titanio.
La Figura 2 mostra la morfologia metallografica dei campioni di rivestimento in titanio preparati con diverse combinazioni di parametri di pressione e temperatura del gas di alimentazione della polvere. Poiché la spruzzatura a freddo appartiene al metodo di deposizione allo stato solido, ha un impatto termico minimo sul substrato e le particelle non si sciolgono durante il processo di deposizione. Pertanto, la piastra in titanio e la piastra in acciaio sul lato del substrato sono intatte e i rivestimenti in titanio possono essere preparati entro l'intervallo di temperatura e pressione del gas di alimentazione della polvere studiato. Dalla Figura 2 si può vedere che la pressione e la temperatura del gas di alimentazione della polvere hanno poco effetto sullo spessore del rivestimento. Lo spessore del rivestimento preparato in diverse condizioni entro lo stesso tempo di spruzzatura è paragonabile, con uno spessore medio di 2,70 mm. Tuttavia, i parametri del gas di alimentazione della polvere hanno un impatto significativo sulla struttura dei rivestimenti in titanio spruzzati a freddo.
Conclusione
1) L'aumento della temperatura e della pressione del gas di alimentazione della polvere durante il processo di spruzzatura a freddo non solo aiuta a ridurre la porosità del rivestimento e a migliorarne la densità, ma sopprime anche la delaminazione del rivestimento e rafforza il legame interno del rivestimento. Quando la temperatura e la pressione del gas di alimentazione della polvere venivano aumentate rispettivamente da 800 gradi e 3 MPa a 900 gradi e 5 MPa, la porosità del rivestimento diminuiva dal 4,25% all'1,14%.
2) A causa della bassa temperatura del gas di alimentazione della polvere durante la preparazione a spruzzo freddo dei rivestimenti in titanio, non è stata osservata alcuna ossidazione significativa nei rivestimenti in titanio preparati, che sono principalmente composti da Ti metallico. Allo stesso tempo, in condizioni di temperatura e pressione del gas di alimentazione della polvere più elevate (900 gradi e 5 MPa), il rivestimento in titanio sul lato della piastra composita in acciaio al titanio ha una buona compatibilità con il substrato e nessuna interfaccia evidente a causa della composizione coerente; L'interfaccia tra il rivestimento in titanio e la piastra in acciaio è chiara e non vi è alcuna interdiffusione significativa di elementi.
3) L'aumento della temperatura o della pressione del gas di alimentazione della polvere durante il processo di spruzzatura a freddo è utile per rafforzare la deformazione plastica, migliorare la densità del rivestimento e quindi migliorare la microdurezza e la resistenza all'usura del rivestimento. Il rivestimento in titanio preparato utilizzando GCr15 come coppia di attrito, con una pressione del gas di alimentazione della polvere di 5 MPa e una temperatura di 900 gradi, ha mostrato un tasso di usura di 0,32 × 10-3mm3/(N · m) dopo 10 minuti di utilizzo sotto un carico di 20 N.
4) Il rivestimento in titanio spruzzato a freddo preparato sulla faccia terminale della piastra composita in acciaio al titanio ha una buona resistenza alla corrosione. Dopo 1000 ore di test in nebbia salina neutra, il rivestimento è intatto e non vi è alcuna evidente corrosione da ruggine sulla superficie, indicando che il rivestimento in titanio impedisce efficacemente alle particelle corrosive di penetrare nel substrato, migliorando così significativamente le prestazioni di servizio della piastra composita in acciaio al titanio in ambiente marino
