不同ZrO2添加量搪瓷涂层制备及耐腐蚀摩擦性能研究

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搪瓷涂层是一种无机非金属材料,具有耐高温抗冲击、耐腐蚀抗氧化以及耐摩擦抗损伤等优异性能。除此以外,搪瓷涂层制备工艺简单、能耗低、成本低廉,因此其在工业管道防腐领域具有很高的应用价值。虽然搪瓷涂层具有很好的耐酸腐蚀性能,但其较差的耐碱性限制了在工业管道防腐领域大规模使用。针对搪瓷涂层严重的碱腐蚀问题,通过湿法球磨制备搪瓷釉浆,并采用一次浸搪技术制备了不同ZrO2添加量的搪瓷涂层。研究了ZrO2在搪瓷涂层结合性能、耐酸碱腐蚀性能及摩擦磨损性能方面的作用机理,这项工作对于制备具有耐碱性的搪瓷涂层以及扩大搪瓷涂层应用具有非常重要的意义。具体研究内容如下:(1)研究了ZrO2添加量为0%、2%、4%、6%、8 wt.%的搪瓷涂层相组成、微观组织结构及结合性能。结果表明:未添加ZrO2的涂层主要为非晶相和残留石英相,而添加ZrO2的涂层中含有部分未熔解的ZrO2相。涂层内部均匀分散的ZrO2粒子提高了气孔形核位点,促使更多气体在ZrO2粒子周围聚集排出,减弱了气孔长大,导致涂层内部气孔尺寸和气孔率随ZrO2添加量增加而减小。涂层结合性能主要与界面粗糙度和基体表面氧化层有关。烧结初期,基体表面氧化层发生熔解,致使流动性增加;烧结后期,金属氧化物与Ni O和Co O发生反应,致使Fe-Ni/Co合金沉淀在涂层侧生长、扩展,形成枝晶,保证了涂层与基体机械结合,而添加ZrO2降低涂层尺寸和气孔率,导致脆性降低断裂韧性提高,因而涂层结合性能在机械冲击下也随着ZrO2添加量增加而提高。(2)研究了不同ZrO2添加量搪瓷涂层在酸碱溶液中的腐蚀行为。结果表明,通过在10 wt.%Na OH溶液中浸泡腐蚀,未添加ZrO2的涂层表面存在Si O2和Na2Si O3相团聚现象,出现明显的裂纹扩展迹象;而添加ZrO2的涂层长期腐蚀后形成致密的Na2Zr Si O5薄膜,阻碍了腐蚀介质向涂层内部进一步扩散。在30 vol.%H2SO4溶液中浸泡腐蚀时,表面硅氧网络发生水解形成Si O2凝胶层,凝胶层失水形成裂纹和腐蚀坑,长期腐蚀时裂纹发生纵向和横向扩展,且裂纹扩展深度与凝胶层厚度相一致。腐蚀电化学结果表明,ZrO2添加量为6%的涂层在酸碱溶液中腐蚀120 d后阻抗值仍为1011Ω·cm2,相较于其它ZrO2添加量的涂层其具有更好的抗酸碱腐蚀性能。添加ZrO2可提高涂层致密度,进而导致涂层对酸碱腐蚀介质的阻碍作用增强,而涂层表面因腐蚀产生的裂纹和孔隙致使腐蚀介质发生扩散,降低了涂层阻抗和介电性能。(3)研究了ZrO2添加量对涂层孔隙率、显微硬度及摩擦磨损性能的影响。结果表明,添加ZrO2可提高气孔形核位点,促使更多气体因ZrO2颗粒熔化而排出,且ZrO2可与Si-O-断键结合,形成Si-O-Zr键。此外,涂层孔隙率随气体形核、迁移至熔体表面排出而降低,导致涂层硬度随致密度提高而增加。当ZrO2添加量为8%时,孔隙率和气孔密度分别降低了44.97%和7.72%。ZrO2添加量为0%和2%的涂层摩擦过程中发生严重脆性断裂,这是由于涂层韧性较差且大尺寸气孔对裂纹形核扩展阻力小所致,随着ZrO2添加量继续增加,涂层硬度和韧性进一步提高,摩擦时涂层表面发生软化产生固体转移膜,从而导致摩擦系数稳定,脆性断裂逐渐向粘着磨损转变。
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