激光表面织构钛合金在含砂NaCl溶液中的冲蚀性能研究

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冲蚀是导致石油化工管道及设备失效、泵等流体机械故障的主要原因之一。钛合金由于质量轻、具有良好的热传导性,在石油化工、航空航天、海洋工业等领域都有着广泛的应用。然而,由于钛合金的硬度较低,其耐冲蚀性能较差。激光表面织构作为一种先进的材料表面处理方式,可以提高钛合金表面的硬度从而提高其抗冲蚀性能。本文利用紫外纳秒激光器在Ti6Al4V钛合金表面制备织构,在常规加热炉中150℃低温热处理一小时制备超疏水性表面。不同织构间距和润湿性的Ti6Al4V钛合金表面抗冲蚀性能实验于喷射式冲蚀实验装置上完成。利用电化学工作站测试表面的腐蚀性能,研究激光织构参数和表面润湿性对织构钛合金腐蚀性能的影响。首先,采用能谱仪(EDS)和扫描电子显微镜(SEM)对未处理表面和织构表面元素及其相对含量进行化学元素分析和形貌表征。使用显微硬度测试仪和接触角测量仪,对未处理表面和超润湿表面的硬度及接触角进行测试。结果表明,激光处理后表面整体硬度大幅度提高,尤其在表面织构间距为150μm载荷为200gf的条件下,硬度提高了48%。由接触角测量仪测量可知,超亲水表面的接触角为0°,超疏水表面的接触角可达155°±2.9°。其次,采用自制的喷射式冲蚀实验台,分别进行了不同织构间距超润湿Ti6Al4V钛合金表面耐冲蚀性能研究。结果表明,超疏水表面表现出较好的耐冲蚀性能,其中织构间距为150μm的超疏水表面耐冲蚀性能最好,其相对于未处理表面提升了33.9%。由SEM分析可知,相对于未处理表面,超疏水表面的冲击坑更小且更浅。由EDS分析可知,疏水表面相对于未处理表面几乎未发生腐蚀氧化,仅有极少量硅砂附着于表面,导致总冲蚀失重量减少。最后,使用电化学工作站研究了不同织构间距超润湿Ti6Al4V钛合金表面的耐腐蚀特性。实验结果表明,超疏水表面表现出优异的耐腐蚀性,且织构间距越小,耐腐蚀性越好。采用Na Cl溶液与石英砂(40-80目)进行了不同织构间距超润湿Ti6Al4V钛合金表面耐冲蚀腐蚀性能研究。结果表明,超疏水表面表现出较好的耐冲蚀腐蚀性能,织构间距为150μm的超疏水表面相对于未处理表面提升了18.0%。由SEM分析可知,相对于未处理表面,超疏水表面在实验后仅出现了小而浅的冲击坑。由EDS分析可知,超疏水表面相对于未处理表面几乎没有发生氧化腐蚀与点腐蚀,仅因极少量的硅砂附着造成实验后失重量的减少。通过冲蚀腐蚀交互作用分析,超疏水表面可以有效减小冲蚀腐蚀交互作用所产生的质量损失占冲蚀腐蚀总量损失的比重。织构间距为150μm的超疏水表面可以最大程度地减小冲蚀腐蚀交互作用。
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