深海潜水器防腐、抗疲劳涂层制备及防护机理研究

深海潜水器防腐、抗疲劳涂层制备及防护机理研究深海蕴藏着丰富的自然资源,同时具有重大的战略意义。深海潜水器是人类走向深海大洋的必需装备,然而钢质潜水器在从浅海到深海的各种苛刻环境下服役,钢结构极易受到腐蚀与疲劳的复合损伤。因此,设计并制备一种可用于深海潜水器表面防护的涂层,对实现其“大、潜、深”的发展目标具有十分重要的意义。针对这一问题,论文开展了以下研究:1)创新设计了具有“骨架”结构的防腐抗疲劳涂层体系,制备了Al-Ti-Si-RE粉芯丝材(Ti:25%~28%,Si:1.5%,RE(混合稀土元素):0.5%,Al:余量)。利用高速电弧喷涂技术在L907A钢表面制备了Al-Ti-Si-RE涂层,对该涂层基本性能进行研究与表征,Al-Ti-Si-RE涂层平均孔隙率为1.6%;平均结合强度为39.0MPa,较传统环氧有机涂层提高近8倍。2)通过SEM、TEM、XRD等微观分析表明:所研制的Al-Ti-Si-RE涂层组织以微晶、纳米晶为主,具有稳定的“骨架”结构(骨架成分为Ti-Al金属间化合物),Al在涂层表面呈连续分布,Ti-Al金属间化合物呈“岛状”分布。Al-Ti-Si-RE涂层具有牺牲阳极的电化学保护作用,同时这种多孔骨架结构还可将Al腐蚀产物固定于其孔隙内,形成高致密性涂层阻塞腐蚀通道,抑制腐蚀进行。3)为有效模拟潜水器在深海的作业环境,研制了“可调温、调氧深海模拟实验装置”。与现有模拟装置相比,该装置在可控压力、温度等参数的基础上,创新增加了溶解氧控制系统,可更为真实地模拟深海作业环境。4)利用模拟实验系统,结合腐蚀电化学测试技术,对Al-Ti-Si-RE涂层进行了研究,结果表明:Al-Ti-Si-RE涂层在深海模拟环境下腐蚀防护性能优异。电化学噪声时域分析显示:静水压力高时涂层腐蚀速率更稳定,溶解氧浓度高时腐蚀速率大;电化学噪声频域分析显示:涂层以稳态腐蚀为主,静水压力促进稳态腐蚀进行,溶解氧浓度则对亚稳态腐蚀向稳态腐蚀转变具有显著作用。5)针对潜水器耐压部位在深海中不断上浮下潜受到交变应力影响的工况,对比分析了均布应力与集中应力的对应关系,采用更为苛刻的三点弯曲疲劳测试方法进行加速试验。对施加Al-Ti-Si-RE涂层的L907A钢在3.5%NaCl中进行三点弯曲疲劳测试,经历107次弯曲测试后涂层依然稳定,而未施加涂层的L907A钢在经历了8.123875×106次弯曲疲劳后发生断裂,表明Al-Ti-Si-RE涂层对L907A钢具有优异的防护作用。通过对Al-Ti-Si-RE涂层电偶单元建模分析可知:Al的溶解量与最大强度因子kmax、循环加载时间t之间呈平方与指数加和关系。6)针对潜水器排气管路在“热腐蚀+海水腐蚀”工况下服役的这一特点,对Al-Ti-Si-RE涂层进行热疲劳试验,分析结果表明:涂层在500℃以下热循环作用时可正常服役,其原因是涂层与基体在500℃以下热膨胀系数相差小,同时涂层中Al与Ti-Al金属间化合物晶粒尺寸小,且能保持良好共格关系,因此在温度突变时,Al-Ti-Si-RE涂层依然能够保持稳定的结构。7)鉴于Al-Ti-Si-RE高速电弧喷涂层存在一定孔隙,采用封孔剂(XK-252涂料)对其进行封孔处理,Al-Ti-Si-RE涂层与封孔剂结合力达到1级水平。经封孔后的Al-Ti-Si-RE涂层在2000h的中性盐雾与模拟深海环境下均表现出了优异的腐蚀防护性能,有机涂层与Al-Ti-Si-RE涂层界面处未出现起皮开裂等现象。经3个月初步实海考核,Al-Ti-Si-RE涂层防护性能良好。通过上述系统研究表明:所研制的具有“骨架”结构的Al-Ti-Si-RE