לוחות מרוכבים מפלדת טיטניום זכו לתשומת לב נרחבת בתחומי הנפט, הכימיקלים, הכוח וההנדסה הימית בשנים האחרונות בשל תכונותיהם המכניות המצוינות של פלדה ועמידות בפני קורוזיה של טיטניום. עם זאת, כאשר לוחות מרוכבים מפלדת טיטניום מיושמים בסביבות ימיות קשות, פני הקצה שלהם עוברים קורוזיה גלוונית עקב ההבדל הפוטנציאלי בין טיטניום לפלדה, מה שמדרדר את הביצועים שלהם במהלך השירות בפועל. לכן, אימוץ שיטות מתאימות לטיפול מגן בפנים הקצה של לוחות מרוכבים מפלדת טיטניום היא בעלת משמעות וערך רב. אבל נכון לעכשיו, אין כמעט דיווחים רלוונטיים. מחקר נוסף מתמקד בהכנת ציפויים על פני השטח של לוחות טיטניום או פלדה לשיפור ביצועי השירות של המצע, כולל בעיקר ריסוס תרמי וחיפוי לייזר. לתהליך ההתזה התרמי יש יעילות גבוהה, פעולה גמישה ופשוטה, אך בשל טווח הטמפרטורות הרחב של מקור החום שלו, פגמים כמו נקבוביות נוטים להתרחש בציפוי, והמתח התרמי השיורי גדול יחסית.
1. הכנת ציפוי טיטניום
חומר המצע הוא לוח מרוכב מפלדת טיטניום המיוצרת על ידי Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd בשיטת יצירת ואקום. עובי לוח הטיטניום 1.80 מ"מ ועובי לוח הפלדה 10.20 מ"מ, כפי שמוצג באיור 1. לפני הכנת ציפוי הטיטניום, השתמש בנייר זכוכית 220 #, 360 #, 600 #, 800 #, 1000 # ו- 2000 # SiC כדי להבריק את המצע ברצף, ולאחר מכן ניקוי קולי באתנול למשך 10 דקות כדי להסיר מזהמים כגון שמן וחלודה על פני הדגימה. אבקת הטיטניום המשמשת לריסוס קר היא Ti-01 המיוצרת על ידי המכון לחומרים חדשים, האקדמיה למדעים של גואנגדונג, עם גודל חלקיקים של 50-100 מיקרומטר. לאחר הנפה, אבקת הטיטניום נאפית ב-120 מעלות למשך 30 דקות כדי להפחית את השפעת הלחות על איכות הציפוי. ציוד ההתזה הקרה הושלם על PCS1000 המיוצר על ידי Plasma Giken ביפן.
השתמש במכונת חיתוך חוטי פריקה חשמלית כדי לחתוך את המדגם לאפיון מיקרו-מבנה וניתוח הרכב של חתך החתך. דגימות מטאלוגרפיות מוכנות בשיטות השחזה והברקה מכניות. תמיסת אתנול חומצה חנקתית עם יחס נפח של 1:19 משמשת כחומר תחריט. התכונות המיקרו-סטרוקטורליות אופיינו באמצעות OM (Leica DVM6M) ו-SEM (Phenom ProX) מצוידים ב-EDS. בדיקה מיקרוסקופית של דגימות מטאלוגרפיות
הקשיות נמדדה באמצעות בודק מיקרו-קשיות של Vickers עם זמן שהייה של 10 שניות ועומס של 500 גרם. מדידות בוצעו כל 0.4 מ"מ ממשטח הציפוי למצע. בדיקת החיכוך והבלאי מאמצת מכונת בדיקת חיכוך ובלאי חוזרת במהירות גבוהה, עם עומס של 20 N, זמן של 10 דקות, תדר של 1 הרץ, אורך בדיקה של 10 מ"מ, וכדורי פלדה GCr15 כחיכוך זוּג. לפני בדיקה אלקטרוכימית, הדגימה נאטמת בשרף אפוקסי, מלוטשת בנייר זכוכית מטאלוגרפי להסרת תחמוצות פני השטח, מנוקה עם אתנול ומים טהורים, ולבסוף מיובשת באוויר חם לקבלת משטח ציפוי נקי. הניסוי מתבצע בטמפרטורת החדר. המדיום הניסיוני הוא תמיסה מדומה של מי ים (3.5% NaCl), באמצעות מערכת שלוש אלקטרודות. המדגם הוא האלקטרודה הפועלת, האלקטרודה הנגדית היא לוחית פלטינה, ואלקטרודת הייחוס היא אלקטרודת קלומלית רוויה (SCE). ספקטרוסקופיה של עכבה אלקטרוכימית נבדקה בתחנת עבודה אלקטרוכימית (CHI760E) בפוטנציאל מעגל פתוח, עם תדר בדיקה של 105~10-2Hz ופוטנציאל הפרעה של 10 mV הופעל. מכונת בדיקת קורוזיה בתרסיס מלח (EASS-100) של China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd. משמשת לבדיקת ריסוס מלח. על פי מבחן קורוזיה באטמוספירה - מבחן ריסוס מלח (GB 10125-1997), תמיסת הבדיקה היא תמיסת NaCl של 5% לפי חלק מסה, והטמפרטורה בקופסת הריסוס היא 35 מעלות.
3. השפעת לחץ הגז והטמפרטורה במהלך הזנת אבקה על מבנה המיקרו והמורפולוגיה של ציפוי טיטניום
אחד הפרמטרים החשובים בתהליך הריסוס קר הוא המהירות הקריטית של החלקיקים המרוססים לפני שהם מתנגשים במצע. עבור חומר מטריצה נתון, קיימת מהירות קריטית שבה רק חלקיקים בעלי מהירות גבוהה מהמהירות הקריטית יכולים להיות מופקדים ליצירת ציפוי, בעוד שחלקיקים בעלי מהירות נמוכה מהמהירות הקריטית יקפצו בחזרה ליצירת הציפוי. המהירות הקריטית של חלקיקי ריסוס קר תלויה בגורמים כגון צפיפות החומר, נקודת התכה, חוזק מתיחה אולטימטיבי וטמפרטורת החלקיקים הראשונית. במהלך תהליך הריסוס הקר, מתכות כמו Cu, Zn ו-Al נוטות לעיוות פלסטי גדול של חלקיקים, וכתוצאה מכך ציפויים צפופים. עם זאת, Ti, בשל נקודת ההיתוך הגבוהה שלו, קשה להשיג ציפויים צפופים באמצעות תיאוריית התצהיר של עיוות התנגשות של ריסוס קר. עם זאת, מחקרים רלוונטיים הראו כי הגדלת הטמפרטורה והלחץ של גז הזנת האבקה יכולה להפחית ביעילות את נקבוביות הציפוי. הנקבוביות של הציפוי היא גורם מפתח המשפיע על ביצועי ההגנה שלו. בטווח המותר של הציוד, המחבר חקר את השפעת הטמפרטורה והלחץ של גז הזנת האבקה על המיקרו-מבנה של ציפוי הטיטניום.
איור 2 מציג את המורפולוגיה המטאלוגרפית של דגימות ציפוי טיטניום שהוכנו בשילובים שונים של לחץ גז הזנת אבקה ופרמטרים של טמפרטורה. בשל העובדה שריסוס קר שייך לשיטת השקיעה במצב מוצק, יש לו השפעה תרמית מועטה על המצע, והחלקיקים אינם נמסים במהלך תהליך השקיעה. לכן, לוח הטיטניום ולוח הפלדה בצד המצע שלמים, וניתן להכין ציפוי טיטניום בטווח הטמפרטורה והלחץ של גז הזנת האבקה שנחקר. מאיור 2 ניתן לראות שללחץ והטמפרטורה של גז הזנת האבקה יש השפעה מועטה על עובי הציפוי. עובי הציפוי שהוכן במספר תנאים באותו זמן ריסוס ניתן להשוואה, עם עובי ממוצע של 2.70 מ"מ. עם זאת, לפרמטרים של גז הזנת האבקה יש השפעה משמעותית על המבנה של ציפוי טיטניום קר מרוסס.
מַסְקָנָה
1) הגדלת הטמפרטורה והלחץ של גז הזנת האבקה במהלך תהליך ההתזה הקרה לא רק עוזרת להפחית את נקבוביות הציפוי ולשפר את צפיפותו, אלא גם מדכאת את דלמינציה של הציפוי ומחזקת את ההדבקה הפנימית של הציפוי. כאשר הטמפרטורה והלחץ של גז הזנת האבקה הוגדלו מ-800 מעלות ו-3 MPa ל-900 מעלות ו-5 MPa, בהתאמה, נקבוביות הציפוי ירדה מ-4.25% ל-1.14%.
2) עקב הטמפרטורה הנמוכה של גז הזנת האבקה במהלך הכנת תרסיס קר של ציפויי טיטניום, לא נצפה חמצון משמעותי בציפויי הטיטניום המוכנים, המורכבים בעיקר מ-Ti מתכתי. יחד עם זאת, בתנאי טמפרטורת ולחץ של גז הזנת אבקה גבוהים יותר (900 מעלות ו-5 MPa), לציפוי הטיטניום בצד הלוח המרוכב מפלדת טיטניום יש תאימות טובה למצע וללא ממשק ברור בשל הרכב עקבי; הממשק בין ציפוי הטיטניום ללוח הפלדה ברור, ואין דיפוזיה משמעותית של אלמנטים.
3) הגדלת הטמפרטורה או הלחץ של גז הזנת האבקה במהלך תהליך ההתזה הקרה מועילה לחיזוק עיוות פלסטי, שיפור צפיפות הציפוי ובכך משפר את קשיות המיקרו ועמידות הציפוי. ציפוי הטיטניום שהוכן באמצעות GCr15 כזוג החיכוך, עם לחץ גז הזנת אבקה של 5 MPa וטמפרטורה של 900 מעלות, הראה שיעור בלאי של 0.32 × 10-3mm3/(N · מ) לאחר 10 דקות של בלאי בעומס של 20 N.
4) ציפוי טיטניום מרוסס קר שהוכן על פני הקצה של לוח מרוכב מפלדת טיטניום הוא בעל עמידות בפני קורוזיה טובה. לאחר 1000 שעות של בדיקת ריסוס מלח ניטרלי, הציפוי שלם ואין קורוזיה ברורה של חלודה על פני השטח, מה שמעיד על כך שציפוי הטיטניום מונע ביעילות מחלקיקים קורוזיביים לחדור לתוך המצע, ובכך משפר באופן משמעותי את ביצועי השירות של לוח מרוכב מפלדת טיטניום בסביבה ימית
