文摘

空蚀(CE)是一种常见的问题困扰许多处理设备如阀门、孔板管和螺旋桨。涂层技术是一种广泛使用的策略来抵御CE。重要的是要理解的CE-corrosion行为腐蚀的涂料解决方案,尤其是在含砂盐水。一个新设计的MIG焊接沉淀硬化马氏体不锈钢(PHMSS)进行涂层,及其silt-CE调查在3.5 wt组成的悬挂。%氯化钠和3%硅砂使用超声波振动器处理器。涂层的微观结构特点是通过光学显微镜和扫描电子显微镜。砂颗粒的影响使用质量损失测量,分析了CE-corrosion potentiodynamic极化曲线和表面形态的观察。结果表明,PHMSS涂料主要是由板条马氏体相。它的质量损失率是按升序仅在蒸馏水的解决方案,含砂蒸馏水,盐水,和含砂盐水。砂颗粒扮演更多的角色在CE蒸馏水盐水。CE和腐蚀的协同作用是更少的无砂盐含砂盐。 The maximum component was the erosion enhancement due to the corrosion in the saline without sand particles but was the pure erosion component in the saline with sand particles. The mechanism of the sand particles’ effect on the CE was also discussed.

1。介绍

空蚀(CE)引起高度的讨论领域的处理系统,如叶轮,阀门、发电机、水泵、和管道(1- - - - - -5]。它主要是由于其复杂的过程包括泡沫成核,高压崩溃,泡沫和材料表面之间的相互作用。复杂服役条件下也很难调查包括CE和腐蚀。主要的问题在于缺乏理解造成的机械损伤之间的协同CE和腐蚀离子造成的腐蚀。因此,澄清的协同CE和腐蚀对材料设计和设备维护至关重要。

CE上的协同效应,腐蚀了很多结果。腐蚀性液体的CE行为有关的两个主要影响机械磨损和电化学腐蚀6- - - - - -8]。CE的材料具有良好的耐蚀性影响较小的corrosion-induced损伤(9]。通常,CE和腐蚀的协同组件均高于纯CE和纯腐蚀的总和(8,10,11),同时,在某些条件下,- CE和腐蚀的协同作用小于纯总结CE和腐蚀(12,13]。然而,以上这些研究获得的纯液体的解决方案。他们怀疑应用条件与叶轮等固体颗粒在金沙的河。砂颗粒可以降低解决方案的抗拉强度(14)和影响气泡成核的数目和泡沫的崩溃15]。甚至他们表面配置和CE(化学成分有影响16]。不幸的是,很少有研究关注的影响砂颗粒对CE的协同作用和腐蚀。胡和郑17]研究了CE的砂浓度的影响,但没有提到CE和腐蚀的协同作用。

固体颗粒在CEs上有复杂的影响(14,17- - - - - -21]。他们影响CE的改变解决方案抗拉强度(14),泡沫成核和崩溃15,材料表面的侵蚀方向(18]。CE配置不同的表面形态(16),浓度(17)和大小(19,22固体颗粒的)。它可以观察到的理解上的固体颗粒腐蚀的影响远远小于对机械损伤(CE)。被动的材料,材料表面的钝化膜中扮演一个重要的角色在CE,尤其是腐蚀(23,24]。然而,澄清的固体颗粒腐蚀的影响仍然未知的CE。

马氏体不锈钢吸引了许多调查由于其耐CE高于奥氏体和铁素体不锈钢25]。金属惰性气体保护焊(MIG)马氏体不锈钢涂层是一种很有前途的方法来抵抗CE和腐蚀,如符合美国钢铁协会的431 (26),符合美国钢铁协会的410 (27],CA-6NM [28]。进一步增强抵抗CE也对不锈钢进行了渗氮过程(29日,30.),激光表面熔化(9),和焊接31日,32]。MIG焊接广泛应用于许多维护组件痛苦泥浆侵蚀和CE由于其操作方便。在目前的研究中,一个新设计的沉淀硬化马氏体不锈钢涂层制备米格35锻钢的焊接方法。其CE-corrosion行为调查在砂暂停3.5 wt。wt %氯化钠和3。%硅砂。砂颗粒之间的相互作用的影响CE和腐蚀进行了讨论。

2。实验

2.1。涂层制备

沉淀硬化马氏体不锈钢的新设计的线被用作填充焊丝MIG焊接过程。它的化学成分是列在表中1。MIG焊接沉淀硬化马氏体不锈钢(PHMSS)铸钢涂料制备,ASTM 485 - 275 (70 - 40)。涂层的沉积之前,衬底表面除锈和地面清除表面氧化物和污染物。MIG焊接过程进行了使用Quinto-GLC403数字化MIG焊机自动的保护气体氩(98%)和有限公司2(2%)。表2列出了其他优化MIG焊的细节。

表1
焊丝的化学成分(wt. %)。
表2
工艺参数的米格浮出水面。
2.2。空蚀试验

CE-corrosion实验进行了使用超声波振动振荡器(Q700超声发生器)共鸣在20 kHz峰振幅15μ米在 。实验过程是基于ASTM G32-10标准(33]。80毫升的体积不同的解决方案是用作不锈钢烧杯实验解决方案包括的蒸馏水和没有3 wt。%硅砂(200 - 300目)和3.5 wt的盐水。没有3 wt %氯化钠和。%硅砂(200 - 300目)。将试样固定在支架为标本越低,这是安装的同轴喇叭提示以恒定的距离0.5毫米。实验仪器和样品尺寸画在图1。所有的标本都逐渐地2000丸磨料论文,用乙醇超声脱脂,热脱水前用鼓风机实验。标本的重量由分析天平测量精度为0.1毫克。至少三次实验的平均值数据是用来确保代表性和再现性。

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图1
原理图(一)超声波CE设备和(b)标本维度。1:进水口;2:尼龙支持;3:冷却槽;4:参比电极;5:隔音外壳;6:超声波发生器;7:传感器;8:角;9:对电极; 10: electrochemical workstation; 11: computer; 12: water outlet; 13: horn tip; and 14: working electrode.
2.3。电化学测量

所有电化学实验进行中包含3.5 wt的盐溶液。%氯化钠在 。实验进行了一个电化电池(Gamry接口1000)伴随着传统的三电极电池包括一个标准的饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极,铂片作为对电极和样品作为工作电极(34]。样品准备根据流程一样的CE测试并与环氧树脂密封接触面积1.83厘米2。偏振测量后进行1 h开路电位((OCP)测试稳定的潜力,和潜在的范围是从-0.5 V至0.7 V和0.5的扫描速率(OCP mV / s。每个实验至少重复三次,以确保再现性。

2.4。表面的观察

x射线衍射(XRD、D / max - 2500 pc)是用来确认阶段成分铜Kα辐射、40千伏的电压和电流的40 mA。分析了涂层的微观结构光学显微镜(OM,卡尔蔡司)。在微观结构观察,样品表面蚀刻溶液5 g FeCl3,50毫升盐酸,100毫升H2o .涂层的显微硬度测量与自动显微硬度试验机的加载1.96 N和15秒的持续时间。立体显微镜(Stemi 2000年,卡尔蔡司)和扫描电子显微镜(SEM、XL-30FEG)是用来揭示侵蚀形态后测试。表面粗糙度是由白光干涉仪检查(MicroXAM)。

3所示。结果与讨论

3.1。涂层特性

图2涂层表面的显示了x射线衍射模式。可以看出,衍射峰位于42°、62°和81°,分别,这是典型的马氏体的峰值。马氏体相的涂料主要由一个单一的体心正方(bct)结构没有另一个第二阶段。


图2
XRD测试涂层的模式。

图3的横截面显微组织是不锈钢涂层光学显微镜观察到。涂层的厚度约2.5毫米(图3(一个))。三个地区选择揭示涂层结构的细节在厚度方向的标签,B, c .局部放大的图像数据3 (b)- - - - - -3 (d)对应区域A、B和C,分别。统一的结构可以观察到在横断面的表面涂层。几乎没有之间的结构差异中可以看到该地区附近的顶面(图3 (b)),该地区的中间涂层(图3 (c)),熔合线附近的区域(图3 (d))。一个典型的板条结构主导整个涂层。紧凑很少有气孔,裂纹等缺陷。此外,形成冶金结合,涂层和基体之间的界面显示良好的结合力(图3 (d))。

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图3
的横截面金相图像PHMSS涂层。

图4显示的方向的显微硬度分布厚度。之间的间隔是固定在0.2毫米相邻硬度点。涂层的硬度几乎没有波动值提出一个统一的结构。它的平均值是423.85高压0.2,这是大约3.3倍的衬底(129.31高压0.2)。


图4
显微硬度资料的方向MIG焊接PHMSS涂层和基体的厚度。
3.2。质量损失

图5显示累计质量损失的变化和目标涂层的质量损失率随时间在蒸馏水和盐水(3.5 wt。%氯化钠)有或没有沙子(3 wt. %)。累计质量损失与测试时间线性增加附近所有的条件(图5(一个))。没有明显的潜伏期可以找到。1.75毫克,10.35毫克,14.2毫克和18.2毫克25 h CE在蒸馏水、蒸馏水和沙子,3.5 wt。wt %氯化钠的解决方案,和3.5。3 wt %氯化钠解决方案。%的沙子。累计质量损失在蒸馏水和3%沙近6倍,仅在蒸馏水。盐水用沙子,它大约是1.3倍,仅在盐水。因此,可以推断,增加砂颗粒可以提高CE在蒸馏水和盐水。此外,累计质量损失在咸水高于蒸馏水和无砂颗粒。这表明,氯离子退化CE涂层的电阻。

(一)
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图5
(一)累计质量损失和(b)涂层的质量损失率曲线的函数在蒸馏水和3.5 wt CE时间。有和没有3 wt %氯化钠解决方案。%砂颗粒(200 - 300目)。

质量损失速率随时间的变化呈现在图5 (b)。他们都增加最初在第一个5 h,然后呆在一个相对稳定的状态,直到测试结束所有的解决方案。然而,质量损失率是至少在蒸馏水和最3.5 wt。%氯化钠溶液和沙子。CE电阻( )确定基于CE的平均深度率(35]。它是表达如下: 在MDER是平均侵蚀率的深度, 在毫克累计质量损失, 涂层的密度(约7.7克/厘米吗3), 是样品的接触面积(1.83厘米2), (25小时)的时间间隔。图6块条形图比较CE不锈钢涂层在不同条件下的直流电阻。趋势是一样的,通过累计质量损失(图5(一个))。可以进行,CE阻力在蒸馏水中含砂蒸馏水的大约5.9倍,而在含砂盐水,约为1.3倍,无砂的盐水。合理地说,沙粒子发挥负面作用减轻CE损害在蒸馏水和生理盐水。此外,他们有一个对蒸馏水的影响大于盐水。这可能是因为氯离子减少CE的砂颗粒的影响。


图6
CE阻力在蒸馏水和盐水有或没有沙子。
3.3。电化学行为

图7揭示了potentiodynamic PHMSS涂层的极化曲线静态和CE条件有或没有沙子。表3列出了腐蚀电流密度( )和腐蚀电位( )从塔费尔拟合获得。在静态条件下,腐蚀电位变化42.8 mV,积极和 减少了1.7μ一个/厘米2在氯化钠溶液砂颗粒与此案没有砂颗粒(图7(一))。它表明,砂颗粒的存在可以稍微缓解PHMSS涂层的腐蚀。此外,阳极电流密度下降更明显的含砂氯化钠溶液比无砂NaCl溶液在静止状态。这可能是由于样本的细沙颗粒的吸收表面,可以隔离corrosive-reducing阳极的一部分。然而,整个腐蚀行为差异很小无砂盐溶液和含砂盐溶液。此外,钝化可以观察到在静态条件下没有沙滩,和钝化电流密度是相同的在约一个数量级 。

(一)
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(b)
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图7
Potentiodynamic PHMSS涂层下的极化曲线(a)静态和(b) CE 3.5 wt的状况。%氯化钠溶液和无砂颗粒。
表3
比较总结PHMSS涂层的电化学腐蚀结果3.5 wt。有和没有3 wt %氯化钠解决方案。%砂颗粒。

CE的条件下,腐蚀趋势变化相反,在静态条件下砂(图7 (b))。的 增加砂后增加了约6倍。腐蚀电位负从-167.2 mV南加州爱迪生公司在无砂解决-251.8 mV南加州爱迪生公司在含砂的解决方案。可以推断,砂颗粒加速腐蚀过程。此外,PHMSS涂层没有钝化现象CE条件既不与也没有砂颗粒。它展示一个活跃的腐蚀状态在CE条件。与静态条件相比,腐蚀电流密度是相对较高的CE条件独立的粒子在沙滩上。这主要是由于机械破坏钝化膜和加速传质在CE,促进PHMSS涂层的腐蚀。

3.4。形态

CE会导致两种不同的侵蚀区域:中心区域和周边区域(36]。这可以改变通过增加砂颗粒根据砂浓度(17),中心区域之间的边界和周长3 wt的浓度几乎消失了。%砂颗粒。光学立体显微镜是用来揭示macromorphologies CE后在不同的解决方案。

图8展示了代表侵蚀表面的CSE 25小时后蒸馏和盐水,没有沙子。它可以观察到,这两个地区可以在蒸馏水(数据区分8(一)和8(c)),但它不是那么明显不同的砂颗粒造成的17),而中心区域和周边区域之间的边界不能观察到盐水条件。此外,CE是更严重的盐水比蒸馏水,说明腐蚀的加速度。得到深入的材料去除机理、SEM观测进行了外围和中心地区。


图8
PHMSS涂层表面的宏观图在公元25 h (a)无砂蒸馏水,(b)盐水,(c)含砂蒸馏水和(d)含砂盐水。

图9显示了CE表面形态测试后样品的中心地区25 h在蒸馏水和盐水有或没有沙子。测试后表面仍然是原始表面局部无砂蒸馏水(图9(a))。它表明,不锈钢具有良好的耐CE蒸馏水没有沙子。相比之下,盐水的侵蚀更严重比蒸馏水后(图相同的测试时间9(b))。只有一小部分的原始表面可以观察到和CE陨石坑。没有砂颗粒,涂层耐CE的退化主要是由于氯离子。


图9
CE表面的SEM显微图中部地区在公元25 h (a、c)蒸馏水和3.5 wt (b, d)。%氯化钠溶液(a, b)没有(c, d)和沙子。

与案件无砂的解决方案相比,CE加快在蒸馏水和盐水后添加沙子颗粒(数字9(c)和9(d))。所有的原始表面已被移除。然而,含砂蒸馏水(图的形态9(c))是不同于盐水(图9(d)),表明不同的损伤机制。坑的密度,前者小于后者。似乎表面图9(d)是通过表面图9(c)经过进一步CE。没有大的粒子表面挤压可以找到测试含砂盐(图9(d))。阳极溶解优先发生在尖角和边缘造成的机械切削silt-CE导致进一步细化侵蚀面。此外,还可以增加泡沫成核和加速CE。因此,含砂盐水的侵蚀表面比在盐水和蒸馏水。

显微图扫描电镜观察到的周边地区PHMSS后涂层表面CE测试在不同条件如图10。伤害周边地区遵循相同的趋势,在中心地区。在含砂的解决方案更严重。蒸馏水的条件(图10()),最初的表面仍然可以看到即使在25小时测试。它只受到轻微的塑性变形由于微型喷气发动机流或冲击波,和损伤程度相对较低,在中心区域(图9(a))。增加砂颗粒后,侵蚀地区扩大(图10(c))。当地孤立陨石坑相互连接,成为更大的坑。粒子impingent由于泡沫崩溃带来额外的机械腐蚀涂层表面(17]。在生理盐水没有砂颗粒(图10(b)),最初的表面也可以观察到但随着面积比,仅在蒸馏水,虽然没有原始表面后可以找到相同的CE时间与砂颗粒(图解决方案10(d))。它表明,砂颗粒影响CE过程的整个表面样本,这符合观察macromorphology观察(图8(d))。


图10
CE表面的SEM显微图周边地区在公元25 h (a、c)蒸馏水和3.5 wt (b, d)。%氯化钠溶液(a, b)没有(c, d)和沙子。

与CE(图的中心地区9)、CE程度相对较低的周边地区蒸馏水但相似的盐水。这意味着砂颗粒的效果更明显比盐水蒸馏水,这同意的结果 (图6)。

图11显示PHMSS涂层表面的粗糙度概要CE 25小时后在不同的解决方案。的所有领域测量表面粗糙度的中心区域内选择。无砂蒸馏水,侵蚀表面均匀,研磨痕迹仍然可以看到(图11(一)),扫描电镜观察到(图是一致的9(d))。没有明显的CE检测到陨石坑显示小质量损失,而同意累计质量损失在图5(一个)。因此,可以推断,涂层电阻在蒸馏水CE是好的粗糙度的观点。相比之下,磨削痕迹是完全相同的测试时间后蒸馏水中删除含有砂颗粒(图11(c))。当地陨石坑存在表明砂粒子加速CE,它同意质量损失测量(图5(一个)),而粗糙度的变化形态的盐水不一样大的蒸馏水。然而,表面是粗比无砂含砂盐盐水。峰值的大小和陨石坑大于无砂盐。


图11
的中心区域的三维粗糙度PHMSS CE 25 h后涂层表面在蒸馏水和盐水,没有沙子。

公元后表面粗糙度特性的定量比较了25小时显示在图在不同的解决方案12。Sa和平方的算术平均高度和均方根高度,分别。Spk是山峰的峰高表示平均身高高于核心表面;Svk表示的算术均值减少河谷区域材料的深度比曲线。从本质上讲,这是一个衡量谷深度以下核心粗糙度。它可以观察到,所有参数显著增加后增加砂蒸馏水。他们以同样的方式改变改变解决方案。Sa值的平方,Spk和Svk略微提高独自解决方案添加氯化钠和解决方案添加氯化钠+沙子。它表明高峰和低谷的最大值增加由于粒子撞击和CE的联合行动。Sa在含砂盐水大约是2.3倍,仅在蒸馏水和仅在盐水约1.04倍。 It indicates that the sand particles degrade the CE resistance of the MIG PHMSS coating more in the distilled water than in the saline water. This may be mainly own to the increase in mechanical damage.


图12
表面粗糙度之间的关系和解决方案条件后25 h CE。
3.5。CE和腐蚀之间的协同行动

有必要理解不仅协同效应的数量(22),但也沙粒子的协同效应。协同组件获得的解决方案,没有沙粒子,分别。CE的总伤害可以被描述的体积损失由以下方程(37- - - - - -39]: 在哪里 和 涂层的总量损失在生理盐水没有砂颗粒,分别; 和 是纯机械腐蚀组件造成的CE独自在蒸馏水没有砂颗粒,分别; 是纯腐蚀组件以盐水; 和 的协同组件CE和盐水的腐蚀和砂颗粒,分别; 和 是腐蚀的腐蚀引起的增强无砂和含砂盐解决方案,分别为;和 和 由腐蚀侵蚀增强诱导无砂和含砂盐解决方案,分别。在目前的工作, 和 测量在蒸馏水和CE 25 h后盐水没有砂颗粒,分别。 和 通过相同的方法,但在含砂的解决方案。 计算的 从静态的盐溶液中的极化曲线根据法拉第定律。 和 是由相同的方法但CE条件在盐水没有砂颗粒,分别。指出,他们是纯增强组件由于侵蚀,这意味着纯腐蚀组件( )已经扣除。

表4列出了组件上面描述的MIG焊接HPMSS涂层。无砂条件,最大的组件是侵蚀增强( )一小部分的腐蚀造成的总损失的88.14%。下一个是纯CE ( ,8.89 - - - - - -3毫米3/ h)和最小的一个是腐蚀增强由于CE只在0.05%的分数。与无砂条件相比,发生巨大变化,由于砂颗粒的存在。纯机械侵蚀造成的CE ( )成为占主导地位的组件侵蚀增强后由于腐蚀( )。纯腐蚀组件是最小的一个。所有这些变化导致的增加的总损失约19%的价格相比无砂盐水。图13情节酒吧图表的每个组件的分数总伤害。它也可以观察到最大的组件转换 来 由于砂颗粒的添加。无砂盐的协同作用比含砂盐要少得多。此外,corrosion-related组件( 和 )明显低于erosion-related组件( 和 )表明良好的涂层的耐蚀性。

表4
组件值计算公元25 h后溶液中没有和沙子。

图13
每个组件的总损失。

固相的影响加载erosion-corrosion行为的不锈钢被检查。据报道,电荷转移的增加导致更高的贡献由于corrosion-related效应(总重量40]。然而,在目前的基础工作是不同的。的沙子颗粒,corrosion-related效果降低,纯机械侵蚀增强。两个方面的减少可能导致腐蚀的效果。一是由于良好的MIG焊接PHMSS涂料本身的耐蚀性。其他可以导致砂颗粒部分防止氯离子的扩散到涂层表面。它证明了降低腐蚀组件(从 来 )后添加沙子。

砂颗粒在许多方面影响silt-CE包括腐蚀、侵蚀和协同作用。总损失增加了添加砂颗粒在蒸馏水和盐水(图5)。这是和每个损坏的组件的结果。在静态的蒸馏水,纯CE主导但有限,可以证明小质量损失(图5)。微型喷气发动机和冲击波撕裂涂层表面(数字9(一),10(一),11(一)),而所有这些都是沙子颗粒添加到蒸馏水后改变了。沙粒子侵蚀和CE的联合行动打破涂层的完整性导致伟大的材料去除。除了在蒸馏水中,更复杂的过程发生在silt-CE和腐蚀。钝化膜剥落导致增加的 。这就是为什么腐蚀增强由于侵蚀成为高于无砂盐水(表4)。此外,腐蚀组件引起的变化不仅表面积的变化,而且当地质量传递的干扰和由于进入和浓度边界层。一个伟大的变化在纯机械侵蚀发生在添加砂颗粒在盐水(表中4),导致表面形态的退化(数字9(b),10(b)11)。这表明,砂颗粒发挥重要作用在涂层表面的刻蚀。根据该报告由胡锦涛和郑(17),silt-CE主要是由沙子侵蚀在沙滩上的浓度3 wt. %。因此,很容易理解为什么纯侵蚀其他组件组件成为占主导地位的一个。

4所示。结论

MIG焊接HPMSS铸钢涂料是新设计的。其silt-CE阻力研究通过质量损失测量和微观形态学观察。CE和腐蚀的协同作用是在3.5 wt讨论。%氯化钠溶液没有和沙子。可以得出一些结论如下:(1)MIG焊接PHMSS涂料主要由板条马氏体相。它有一个单一的体心正方(bct)结构的显微硬度423.85高压0.2。(2)涂料的质量损失率是按升序仅在蒸馏水的解决方案,含砂蒸馏水,盐水,和含砂盐水。(3)无砂盐的协同作用比含砂盐要少得多。最大的组件是盐水的侵蚀增强由于腐蚀没有砂颗粒,但纯生理盐水中的腐蚀组件与砂颗粒。

数据可用性

数据的质量损失、电化学和硬度用于支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

我们声明我们没有金融和个人关系与他人或组织不当会影响我们的工作和没有专业或其他任何性质的个人利益或在任何产品,服务,和/或公司可能被视为影响的位置,或审查,手稿资格。

确认

这项工作得到了中国国家重点研发项目(2018 yfc0808500)和中国国家自然科学基金(51501206,51501206)。