钢管内表面氧化铝涂层工艺的实验研究
钢管内表面氧化铝涂层工艺的实验研究[20201304195429]
摘 要
耐磨氧化铝涂层是在需要保护物体表面上形成耐磨陶瓷颗粒覆盖层，从而达到对物品的保护目的。耐磨氧化铝涂层的应用方式是非常灵活的，并且其加工性能好，而且应用领域也非常的广阔。氧化铝涂层的耐磨性相对显著，一般比常规耐磨材料的耐磨性好，以后还有望被广泛用于延长长期受摩擦部件的寿命，这样就降低了大型磨损部件的能耗。本文通过溶胶-凝胶法制备氧化铝涂层。对钢管内表面氧化铝涂层的成分、涂敷工艺、烧结温度等方面进行了研究。获得的氧化铝涂层均匀，致密。通过腐蚀实验表明，氧化铝涂层提高了钢管内表面的耐腐蚀性。
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关键字:氧化铝涂层溶胶-凝胶耐磨性耐腐蚀性
目录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2现代材料防护方法 1
1.2.1防腐蚀技术 1
1.2.2提高材料耐磨性技术 2
1.2.3提高材料耐高温抗氧化能力的技术 3
1.3涂层的制备工艺 4
1.3.1电镀与化学镀技术 4
1.3.2热喷涂技术 6
1.3.3气相沉积技术 6
1.3.4溶胶-凝胶法 7
1.3.5电刷镀技术 8
1.4氧化铝涂层的研究现状与发展趋势 9
1.5 本课题的选题意义及研究内容 9
1.5.1 选题的科学意义和应用前景 9
1.5.2 研究内容 10
2.实验部分 11
2.1实验要求 11
2.2工艺方法的确定 11
2.3药品与仪器 12
2.4实验过程 13
2.4.1实验的表面预处理 13
2.4.2实验步骤 13
2.5实验设备与仪器使用注意事项 14
2.5.1加热设备 14
2.5.2硬度检测 14
2.5.3涂层厚度检测 15
2.5.4金相试样的制备 16
2.6实验目标 17
3.结果与讨论 19
3.1干燥方式对氧化铝涂层的影响 19
3.2反应温度对预涂层的影响 20
3.3 Ni和Al质量比对预涂层的影响 22
3.4烧结方式对涂层的影响 24
3.5生成的涂层的耐酸腐蚀性 25
3.6涂层金相分析 26
4.结论 29
参考文献 30
致谢 32
1.绪论
1.1 引言
众所周知,人类对石油，天然气，水等生活必需品的需求量越来越大，为了满足人类需求，铺设的运输管道越来越长，也越来越多。因此对于长距离的油气输送管道,人们的关注度也越来越高。钢管的防护是确保管网系统正常运行的基础。输送管道系统的失效不仅给经济发展带来困扰，还会给人民生活带来很多的困难和不便，所以钢管防护的显著意义和价值在管网系统中就显得尤为的突出。不但要求使用的钢管能承受高压和满足API标准外，还要求所铺设的管道使用寿命长及现场维修费用低[1]正是因为管道的工作环境的恶劣，所以对管道表面的涂层的性能的要求也越来越高。这样的需求给管道的防护处理研究指明了一个新的研究方向。基于对涂层的了解，涂层是附着在基体表面上与基体之间有较强的结合能力并且有特殊功能的薄层材料。涂层能够改善基材的很多不足，并且能够改善其表面的性能，如光学性能、耐腐蚀性能、电学性能、抗磨损性能等等，它是含有支撑体的一种薄膜材料[2]。氧化铝涂层即陶瓷涂层，它是近年来新出现的一类无机非金属涂层的统称。氧化铝涂层因为其良好的耐磨性，高温抗氧化，耐腐蚀性受到越来越多的关注。近五十年以来尤其是近三十年以来，随着航空航天、电子产业、军用产品等高端科技的发展，氧化铝涂层也得到了迅猛的发展。美国在上个世纪末氧化铝涂层的运用年增长率一直很高，增长率达到12％以上。在有些行业中氧化铝涂层的年增长率达到惊人的25％。它表明陶瓷涂层技术正成为新世纪的一个蓬勃发展的产业[3]。
1.2现代材料防护方法
1.2.1防腐蚀技术
腐蚀问题普遍存在于生活和生产过程中，给国民经济带来了巨大经济损失。即使在那些工业发达的国家，腐蚀问题给我国工业生产带来巨大的直接损失，间接损失更是难以估量，全球范围内每年因为腐蚀造成的金属的失效大概占据金属材料总产量的三分之一[4]。同时，腐蚀带来的环境问题也不可忽视。因此材料的防腐蚀越来越受人们的重视。按照腐蚀机理来分的话，有化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀；按照腐蚀形态来划分的话，可将其分为全面性腐蚀和部分腐蚀；按照腐蚀环境分的话，分为酸碱盐溶液腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、大气腐蚀[5]。影响材料表面耐腐蚀性的因素有很多，包括外部环境与内部材料整两个类别。首先是环境方面。例如，当材料所处环境中的氧浓度和氢离子浓度升高的时候，腐蚀电流就会增加，这就导致了腐蚀的加速。当材料处于一个温度比较高的情况下，由于腐蚀速度和温度显示的是指数关系，所以当温度比较高时，材料的腐蚀速度也就相对较快，当然材料的所在环境中的PH值，浓度等因素也会给材料的腐蚀带来影响。其次是材料本身对腐蚀的影响，材料的成分，杂质，第二相和热处理都会影响材料的腐蚀速度。比如说，合金的热力学稳定性会增强材料的抗腐蚀性。材料表面的腐蚀防护措施主要有：加入缓蚀剂，采用电化学保护，涂覆保护涂层，当然对于材料的选择要因地制宜。材料选取的因地制宜能有效地减少腐蚀。以涂料涂装为代表的防腐蚀技术一直以来因为其操作简单, 所以在工业生产中占据着十分重要的地位。表面的涂层可以有效地隔绝空气，海水，生物等因素与材料本身的接触，从而有效地减缓了腐蚀[6]。耐腐蚀涂层的制备方法有很多，包括电镀、铜合金制成镀层、电刷度、化学镀耐腐蚀层、热喷涂、热浸镀等等[7]。在电化学保护法里，牺牲阳极是最简单易行的方法，但是这种方法不如阴极保护法好调节。在海洋这个环境中，牺牲阳极是最常被使用的方法，常使用的阳极有Zn合金、Mg合金、Al合金，但是铝合金在性价比上最占优势。阴极保护是地下管线的防腐蚀最常用的方法。而且，阴极保护对二氧化碳的腐蚀也有很好的防御作用。加入缓蚀剂能在金属表面形成一层膜，有效地防止了腐蚀。因地制宜，不同的条件选择不同的防腐方法，可以有效地防止腐蚀，提高耐腐蚀性[8]。
1.2.2提高材料耐磨性技术
摩擦在生产和生活中随处可见，给生活带来便利的同时也给人类带来了困扰，摩擦导致了磨损，而磨损导致了机械的失效，缩短了器械的寿命。影响磨损的原因包括：材料的表面性质，摩擦副之间的相互运动、与之接触的材料的性质[9]。摩擦会导致材料的消耗增加，增加了生产成本。所有的摩擦都是从表面开始的，在表面上增加耐磨层可以减轻甚至是避免摩擦带来的损失，这个对于生产生活有很大的意义。材料的硬度、晶体结构、所承受的载荷、所处环境的温度等因素都会给物体的耐磨性带来影响[10]。所以，需要选择适当的措施去提高耐磨性。选择合适的工件结构、合适的材料、在表面上镀上一层合适的镀膜，这些方法都可以提高耐磨性。合适的工件结构必须有优异的结构设计，能满足所服役状态的要求，还有一点就是可以更换零件。摩擦磨损材料的选择要符合机械要求，合适的磨损率和摩擦因素，合适的化学成分。要选择能在比较不好的环境下服役的涂层，而且，这种材料的性价比要比较高，基本上可以分成耐磨和减少摩擦这两种。因为制作涂层的方法有很多的选择性，很方便的能延长机器的寿命，提高耐磨性。制备涂层的方法有很多，比如说堆焊法制耐磨涂层、热喷涂法、熔覆法、电镀法、电刷度法、化学镀法等。例如，通过堆焊发可以制备出铁基耐磨涂层，镍基耐磨层、钴基耐磨层、铜基耐磨层、碳化钨涂层等等；通过热喷涂法可以制备出陶瓷涂层、钴基涂层、锡基层、铅基涂层等等。耐摩擦涂层不但有较好的耐磨性，还有足够的强度、良好地导热性、优异的嵌合性能。因此耐摩擦涂层能延长机器的寿命，提高耐磨性，给社会带来巨大地经济效益。
1.2.3提高材料耐高温抗氧化能力的技术
在高温的环境下，材料的氧化和腐蚀速率很高，但是因为现代的生产过程中，高温是不可避免的工作环境，所以，机械在高温下依然要保持高性受到了越来越多的人的关注。主要的高温防护性能有抗氧化性、抗热冲击性能和抗高温腐蚀性能[11]。高温氧化会给材料的结构带来破坏，因此器材的性能会下降而且寿命就会减少。高温下，材料的失效破坏形式有高温氧化、高温硫化、高温碳化、高温卤化、热腐蚀、热疲劳、高温氮化等。器材基材的性质（化学成分、晶粒大小、组织结构等）、氧化膜的特性（体积比、热力学性质、氧化膜成分等等）、气体介质的性质（是单一还是混合的气体、气体的压力、它的流动形态等等）、温度等都会对抗高温氧化性有影响。金属的氧化主要因为离子移动，合适的合金元素可以弥补晶体缺陷，从而抑制高温氧化的速率。体积比越大，氧化速率就会越快，即抗氧化性能差。材料的物理性质、工作温度、保持时间、加热和冷却速度、式样的尺寸和形状、介质等因素会给材料的抗热疲劳性带来个影响。例如，材料的热膨胀系数很大，这意味着它的导热率很小，热应力相应的就比较大。热应力大带来的结果是材料的抗高温热疲劳性能就比较低。加热和冷却速度影响了热应力的大小和分布。冷却速度降低会导致弹性应力的减小，裂纹扩张的可能性小，从而材料的抗高温热疲劳性能就比较高。了解材料所服役的环境和材料本身的物理化学性质，有针对性的选择耐热涂层，会给社会带来很大的经济效益。对耐热涂层的要求有：高熔点、高抗氧化性、尽可能的减少缺陷、可以阻碍氧气和基材 的接触、和基材有很好的结核性。耐热涂层常用的材料有：铁基合金、镍基合金、钛基合金和铝基合金。这些合金都可以较好的提高材料的抗高温氧化性。
摘 要
耐磨氧化铝涂层是在需要保护物体表面上形成耐磨陶瓷颗粒覆盖层，从而达到对物品的保护目的。耐磨氧化铝涂层的应用方式是非常灵活的，并且其加工性能好，而且应用领域也非常的广阔。氧化铝涂层的耐磨性相对显著，一般比常规耐磨材料的耐磨性好，以后还有望被广泛用于延长长期受摩擦部件的寿命，这样就降低了大型磨损部件的能耗。本文通过溶胶-凝胶法制备氧化铝涂层。对钢管内表面氧化铝涂层的成分、涂敷工艺、烧结温度等方面进行了研究。获得的氧化铝涂层均匀，致密。通过腐蚀实验表明，氧化铝涂层提高了钢管内表面的耐腐蚀性。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:氧化铝涂层溶胶-凝胶耐磨性耐腐蚀性
目录
1.绪论 1
1.1 引言 1
1.2现代材料防护方法 1
1.2.1防腐蚀技术 1
1.2.2提高材料耐磨性技术 2
1.2.3提高材料耐高温抗氧化能力的技术 3
1.3涂层的制备工艺 4
1.3.1电镀与化学镀技术 4
1.3.2热喷涂技术 6
1.3.3气相沉积技术 6
1.3.4溶胶-凝胶法 7
1.3.5电刷镀技术 8
1.4氧化铝涂层的研究现状与发展趋势 9
1.5 本课题的选题意义及研究内容 9
1.5.1 选题的科学意义和应用前景 9
1.5.2 研究内容 10
2.实验部分 11
2.1实验要求 11
2.2工艺方法的确定 11
2.3药品与仪器 12
2.4实验过程 13
2.4.1实验的表面预处理 13
2.4.2实验步骤 13
2.5实验设备与仪器使用注意事项 14
2.5.1加热设备 14
2.5.2硬度检测 14
2.5.3涂层厚度检测 15
2.5.4金相试样的制备 16
2.6实验目标 17
3.结果与讨论 19
3.1干燥方式对氧化铝涂层的影响 19
3.2反应温度对预涂层的影响 20
3.3 Ni和Al质量比对预涂层的影响 22
3.4烧结方式对涂层的影响 24
3.5生成的涂层的耐酸腐蚀性 25
3.6涂层金相分析 26
4.结论 29
参考文献 30
致谢 32
1.绪论
1.1 引言
众所周知,人类对石油，天然气，水等生活必需品的需求量越来越大，为了满足人类需求，铺设的运输管道越来越长，也越来越多。因此对于长距离的油气输送管道,人们的关注度也越来越高。钢管的防护是确保管网系统正常运行的基础。输送管道系统的失效不仅给经济发展带来困扰，还会给人民生活带来很多的困难和不便，所以钢管防护的显著意义和价值在管网系统中就显得尤为的突出。不但要求使用的钢管能承受高压和满足API标准外，还要求所铺设的管道使用寿命长及现场维修费用低[1]正是因为管道的工作环境的恶劣，所以对管道表面的涂层的性能的要求也越来越高。这样的需求给管道的防护处理研究指明了一个新的研究方向。基于对涂层的了解，涂层是附着在基体表面上与基体之间有较强的结合能力并且有特殊功能的薄层材料。涂层能够改善基材的很多不足，并且能够改善其表面的性能，如光学性能、耐腐蚀性能、电学性能、抗磨损性能等等，它是含有支撑体的一种薄膜材料[2]。氧化铝涂层即陶瓷涂层，它是近年来新出现的一类无机非金属涂层的统称。氧化铝涂层因为其良好的耐磨性，高温抗氧化，耐腐蚀性受到越来越多的关注。近五十年以来尤其是近三十年以来，随着航空航天、电子产业、军用产品等高端科技的发展，氧化铝涂层也得到了迅猛的发展。美国在上个世纪末氧化铝涂层的运用年增长率一直很高，增长率达到12％以上。在有些行业中氧化铝涂层的年增长率达到惊人的25％。它表明陶瓷涂层技术正成为新世纪的一个蓬勃发展的产业[3]。
1.2现代材料防护方法
1.2.1防腐蚀技术
腐蚀问题普遍存在于生活和生产过程中，给国民经济带来了巨大经济损失。即使在那些工业发达的国家，腐蚀问题给我国工业生产带来巨大的直接损失，间接损失更是难以估量，全球范围内每年因为腐蚀造成的金属的失效大概占据金属材料总产量的三分之一[4]。同时，腐蚀带来的环境问题也不可忽视。因此材料的防腐蚀越来越受人们的重视。按照腐蚀机理来分的话，有化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀；按照腐蚀形态来划分的话，可将其分为全面性腐蚀和部分腐蚀；按照腐蚀环境分的话，分为酸碱盐溶液腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、大气腐蚀[5]。影响材料表面耐腐蚀性的因素有很多，包括外部环境与内部材料整两个类别。首先是环境方面。例如，当材料所处环境中的氧浓度和氢离子浓度升高的时候，腐蚀电流就会增加，这就导致了腐蚀的加速。当材料处于一个温度比较高的情况下，由于腐蚀速度和温度显示的是指数关系，所以当温度比较高时，材料的腐蚀速度也就相对较快，当然材料的所在环境中的PH值，浓度等因素也会给材料的腐蚀带来影响。其次是材料本身对腐蚀的影响，材料的成分，杂质，第二相和热处理都会影响材料的腐蚀速度。比如说，合金的热力学稳定性会增强材料的抗腐蚀性。材料表面的腐蚀防护措施主要有：加入缓蚀剂，采用电化学保护，涂覆保护涂层，当然对于材料的选择要因地制宜。材料选取的因地制宜能有效地减少腐蚀。以涂料涂装为代表的防腐蚀技术一直以来因为其操作简单, 所以在工业生产中占据着十分重要的地位。表面的涂层可以有效地隔绝空气，海水，生物等因素与材料本身的接触，从而有效地减缓了腐蚀[6]。耐腐蚀涂层的制备方法有很多，包括电镀、铜合金制成镀层、电刷度、化学镀耐腐蚀层、热喷涂、热浸镀等等[7]。在电化学保护法里，牺牲阳极是最简单易行的方法，但是这种方法不如阴极保护法好调节。在海洋这个环境中，牺牲阳极是最常被使用的方法，常使用的阳极有Zn合金、Mg合金、Al合金，但是铝合金在性价比上最占优势。阴极保护是地下管线的防腐蚀最常用的方法。而且，阴极保护对二氧化碳的腐蚀也有很好的防御作用。加入缓蚀剂能在金属表面形成一层膜，有效地防止了腐蚀。因地制宜，不同的条件选择不同的防腐方法，可以有效地防止腐蚀，提高耐腐蚀性[8]。
1.2.2提高材料耐磨性技术
摩擦在生产和生活中随处可见，给生活带来便利的同时也给人类带来了困扰，摩擦导致了磨损，而磨损导致了机械的失效，缩短了器械的寿命。影响磨损的原因包括：材料的表面性质，摩擦副之间的相互运动、与之接触的材料的性质[9]。摩擦会导致材料的消耗增加，增加了生产成本。所有的摩擦都是从表面开始的，在表面上增加耐磨层可以减轻甚至是避免摩擦带来的损失，这个对于生产生活有很大的意义。材料的硬度、晶体结构、所承受的载荷、所处环境的温度等因素都会给物体的耐磨性带来影响[10]。所以，需要选择适当的措施去提高耐磨性。选择合适的工件结构、合适的材料、在表面上镀上一层合适的镀膜，这些方法都可以提高耐磨性。合适的工件结构必须有优异的结构设计，能满足所服役状态的要求，还有一点就是可以更换零件。摩擦磨损材料的选择要符合机械要求，合适的磨损率和摩擦因素，合适的化学成分。要选择能在比较不好的环境下服役的涂层，而且，这种材料的性价比要比较高，基本上可以分成耐磨和减少摩擦这两种。因为制作涂层的方法有很多的选择性，很方便的能延长机器的寿命，提高耐磨性。制备涂层的方法有很多，比如说堆焊法制耐磨涂层、热喷涂法、熔覆法、电镀法、电刷度法、化学镀法等。例如，通过堆焊发可以制备出铁基耐磨涂层，镍基耐磨层、钴基耐磨层、铜基耐磨层、碳化钨涂层等等；通过热喷涂法可以制备出陶瓷涂层、钴基涂层、锡基层、铅基涂层等等。耐摩擦涂层不但有较好的耐磨性，还有足够的强度、良好地导热性、优异的嵌合性能。因此耐摩擦涂层能延长机器的寿命，提高耐磨性，给社会带来巨大地经济效益。
1.2.3提高材料耐高温抗氧化能力的技术
在高温的环境下，材料的氧化和腐蚀速率很高，但是因为现代的生产过程中，高温是不可避免的工作环境，所以，机械在高温下依然要保持高性受到了越来越多的人的关注。主要的高温防护性能有抗氧化性、抗热冲击性能和抗高温腐蚀性能[11]。高温氧化会给材料的结构带来破坏，因此器材的性能会下降而且寿命就会减少。高温下，材料的失效破坏形式有高温氧化、高温硫化、高温碳化、高温卤化、热腐蚀、热疲劳、高温氮化等。器材基材的性质（化学成分、晶粒大小、组织结构等）、氧化膜的特性（体积比、热力学性质、氧化膜成分等等）、气体介质的性质（是单一还是混合的气体、气体的压力、它的流动形态等等）、温度等都会对抗高温氧化性有影响。金属的氧化主要因为离子移动，合适的合金元素可以弥补晶体缺陷，从而抑制高温氧化的速率。体积比越大，氧化速率就会越快，即抗氧化性能差。材料的物理性质、工作温度、保持时间、加热和冷却速度、式样的尺寸和形状、介质等因素会给材料的抗热疲劳性带来个影响。例如，材料的热膨胀系数很大，这意味着它的导热率很小，热应力相应的就比较大。热应力大带来的结果是材料的抗高温热疲劳性能就比较低。加热和冷却速度影响了热应力的大小和分布。冷却速度降低会导致弹性应力的减小，裂纹扩张的可能性小，从而材料的抗高温热疲劳性能就比较高。了解材料所服役的环境和材料本身的物理化学性质，有针对性的选择耐热涂层，会给社会带来很大的经济效益。对耐热涂层的要求有：高熔点、高抗氧化性、尽可能的减少缺陷、可以阻碍氧气和基材 的接触、和基材有很好的结核性。耐热涂层常用的材料有：铁基合金、镍基合金、钛基合金和铝基合金。这些合金都可以较好的提高材料的抗高温氧化性。
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