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《西南石油大学》 2016年
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几种等离子喷涂涂层的冲蚀磨损特性研究

姚梦佳  
【摘要】:集输管线冲蚀失效是石化工业中经常发生的一种失效形态,是集输管线安全运行过程中亟待解决的热点问题之一。针对集输管线的实际工况,采用等离子喷涂技术在20#钢基体上制备了AT13、AT40、WC/Co、Ni60、Fe313、n-AT13六种涂层,利用扫描电镜、X射线衍射仪对涂层的微观结构进行观察分析,采用真空浸渍液体法、对偶试样拉伸法、显微硬度测试法和压痕法对涂层的孔隙率、结合强度、显微硬度和断裂韧性进行测试分析。然后采用气流携沙喷射法对涂层的抗冲蚀磨损性能进行测试分析,研究了冲蚀环境参数和涂层特性对涂层抗冲蚀磨损性能的影响,并通过对涂层冲蚀表面的微观形貌进行观察分析,探讨了涂层的冲蚀特征。研究结果表明:等离子喷涂制备的六种涂层中,AT13、AT40、WC/Co、Ni60、Fe313涂层片层结构明显,纳米AT13涂层片层结构不明显,涂层中都存在数量不等的孔隙和与涂层层状叠加方向一致的裂纹,涂层与基体的结合方式主要靠机械铆合。WC/Co涂层的孔隙率最小,为5.9%,Fe313涂层的孔隙率最大,为7.8%;纳米AT13涂层的结合强度最高,为31.8MPa, Fe313涂层的结合强度最低,为17.9MPa;纳米AT13涂层的平均显微硬度最高,为1028.81,Fe313涂层的平均显微硬度最低,为582.66;纳米AT13涂层的裂纹扩展能最高,为5.896J/m2, AT13涂层的裂纹扩展能最低,为4.816J/m2。冲蚀磨损实验表明:六种涂层的抗冲蚀磨损性能均优于20#钢,六种涂层均在90°冲蚀角时失重达到最大。在30°冲蚀角时,涂层的失重由小到大依次是n-AT13AT13 WC/CoAT40Ni60Fe313,n-AT13涂层的失重约为AT13涂层的3/4,AT13涂层的失重约为Fe313涂层的2/3。在90°冲蚀角时,涂层的失重由小到大依次是n-AT13WC/CoAT40AT13Ni60Fe313, n-AT13涂层的失重约为WC/Co涂层的3/4,WC/Co涂层的失重约为Fe313涂层的3/4;在不同冲蚀角下,随着冲蚀时间的增加,涂层都没有表现出孕育期,过渡阶段为前1-4min,过渡阶段的时间与涂层的表面质量和冲蚀角有一定的关系;在不同冲蚀角下,随着粒子流速的增大,六种涂层的失重都明显增加。涂层的硬度不是影响涂层抗冲蚀磨损性能的单一因素。涂层冲蚀形貌观察分析表明:在30°冲蚀角时,涂层的冲蚀磨损呈现出显微切削、微观疲劳剥落和颗粒脱落中一种或者几种并有的特征;在90°冲蚀角时,涂层的冲蚀磨损主要表现出疲劳剥落特征。涂层的主要冲蚀失效机制是涂层呈片状剥落。综合集输管线的实际工况和涂层的抗冲蚀特点,WC/Co涂层可以作为集输管线的抗冲蚀磨损防护涂层进行应用,尤其使用在高冲蚀角下。AT13涂层可以作为集输管线的抗低角度冲蚀磨损防护涂层进行应用。
【关键词】:集输管线 冲蚀磨损 等离子喷涂 涂层 冲蚀特征
【学位授予单位】:西南石油大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG174.4
【目录】:
  • 摘要3-4
  • Abstract4-9
  • 第1章 绪论9-23
  • 1.1 选题背景及目的意义9-10
  • 1.2 冲蚀磨损概述10-14
  • 1.2.1 冲蚀磨损的影响因素10-12
  • 1.2.2 冲蚀磨损理论12-13
  • 1.2.3 集输管线的冲蚀磨损13-14
  • 1.3 冲蚀磨损防护技术研究现状14-17
  • 1.3.1 选材设计14-15
  • 1.3.2 表面强化15-17
  • 1.4 等离子喷涂技术研究现状17-19
  • 1.4.1 等离子喷涂技术的原理及特点17-18
  • 1.4.2 等离子喷涂技术的设备18-19
  • 1.4.3 等离子喷涂技术的应用19
  • 1.5 耐冲蚀涂层材料研究现状19-21
  • 1.5.1 陶瓷涂层材料20
  • 1.5.2 金属及合金类涂层材料20-21
  • 1.5.3 纳米涂层材料21
  • 1.6 本文研究的主要内容21-23
  • 第2章 等离子喷涂涂层的制备23-30
  • 2.1 实验材料23-25
  • 2.1.1 基体材料23
  • 2.1.2 喷涂粉末的选择23-25
  • 2.2 实验设备25-26
  • 2.3 涂层制备工艺26-29
  • 2.3.1 基体预处理27
  • 2.3.2 等离子喷涂参数设置27-29
  • 2.4 本章小结29-30
  • 第3章 涂层的组织结构及性能研究30-48
  • 3.1 涂层的微观组织形貌分析30-33
  • 3.1.1 涂层的表面微观组织形貌分析30-32
  • 3.1.2 涂层的截面微观组织形貌分析32-33
  • 3.2 涂层的物相分析33-36
  • 3.3 涂层的孔隙率测定36-38
  • 3.3.1 实验方法37
  • 3.3.2 实验结果分析37-38
  • 3.4 涂层的结合强度测定38-40
  • 3.4.1 实验方法38-40
  • 3.4.2 实验结果分析40
  • 3.5 涂层的显微硬度测定40-43
  • 3.5.1 实验方法41
  • 3.5.2 实验结果与分析41-43
  • 3.6 涂层的断裂韧性度量43-46
  • 3.6.1 实验方法43-44
  • 3.6.2 实验结果与分析44-46
  • 3.7 本章小结46-48
  • 第4章 涂层的冲蚀磨损性能研究48-60
  • 4.1 实验方法48-51
  • 4.1.1 实验装置48-49
  • 4.1.2 实验条件及步骤49-50
  • 4.1.3 冲蚀磨损性能的评价方法50-51
  • 4.2 环境因素对涂层冲蚀磨损性能影响研究51-57
  • 4.2.1 冲蚀角度对涂层冲蚀磨损性能的影响51-53
  • 4.2.2 冲蚀时间对涂层冲蚀磨损性能的影响53-56
  • 4.2.3 粒子流速对涂层冲蚀磨损性能的影响56-57
  • 4.3 涂层特性对涂层冲蚀磨损性能影响研究57-59
  • 4.3.1 涂层的显微组织结构对冲蚀磨损性能的影响57-58
  • 4.3.2 涂层的显微硬度对冲蚀磨损性能的影响58-59
  • 4.4 本章小结59-60
  • 第5章 涂层的冲蚀磨损特征研究60-66
  • 5.1 20~#钢的冲蚀磨损特征60
  • 5.2 AT13涂层的冲蚀磨损特征60-61
  • 5.3 AT40涂层的冲蚀磨损特征61-62
  • 5.4 WC/Co涂层的冲蚀磨损特征62
  • 5.5 Ni60涂层的冲蚀磨损特征62-63
  • 5.6 Fe313涂层的冲蚀磨损特征63-64
  • 5.7 n-AT13涂层的冲蚀磨损特征64-65
  • 5.8 本章小结65-66
  • 第6章 结论与展望66-68
  • 6.1 文章结论66-67
  • 6.2 展望67-68
  • 致谢68-69
  • 参考文献69-74
  • 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果74

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