แผงคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางในด้านปิโตรเลียม เคมี พลังงาน และวิศวกรรมทางทะเลในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เนื่องจากคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมของเหล็กและความต้านทานการกัดกร่อนของไทเทเนียม อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้แผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่รุนแรง พื้นผิวส่วนปลายของแผ่นเหล่านั้นจะเกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิก เนื่องจากความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างไทเทเนียมกับเหล็ก ซึ่งทำให้ประสิทธิภาพลดลงระหว่างการให้บริการจริง ดังนั้นการนำวิธีการที่เหมาะสมสำหรับการรักษาพื้นผิวส่วนท้ายของแผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมจึงมีความสำคัญและมีคุณค่าอย่างยิ่ง แต่ปัจจุบันแทบไม่มีรายงานที่เกี่ยวข้องเลย การวิจัยเพิ่มเติมมุ่งเน้นไปที่การเตรียมการเคลือบบนพื้นผิวของไทเทเนียมหรือแผ่นเหล็ก เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการบริการของพื้นผิว ซึ่งส่วนใหญ่รวมถึงการพ่นด้วยความร้อนและการหุ้มด้วยเลเซอร์ กระบวนการพ่นด้วยความร้อนมีประสิทธิภาพสูง ยืดหยุ่น และใช้งานง่าย แต่เนื่องจากแหล่งความร้อนมีช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ข้อบกพร่อง เช่น รูพรุน จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในการเคลือบ และความเครียดจากความร้อนที่ตกค้างจึงมีค่อนข้างมาก
1. การเตรียมการเคลือบไทเทเนียม
วัสดุพื้นผิวเป็นแผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมที่ผลิตโดย Hunan Xiangtou Jintian Titanium Metal Co., Ltd. โดยใช้วิธีการขึ้นรูปสุญญากาศ แผ่นไทเทเนียมมีความหนา 1.80 มม. และแผ่นเหล็กมีความหนา 10.20 มม. ดังแสดงในรูปที่ 1 ก่อนเตรียมการเคลือบไทเทเนียมให้ใช้กระดาษทราย 220#, 360#, 600#, 800#, 1000# และ 2000# SiC เพื่อ ขัดพื้นผิวตามลำดับ ตามด้วยการทำความสะอาดอัลตราโซนิกในเอธานอลเป็นเวลา 10 นาที เพื่อขจัดสิ่งปนเปื้อน เช่น น้ำมันและสนิมบนพื้นผิวของตัวอย่าง ผงไทเทเนียมที่ใช้ในการพ่นเย็นคือ Ti-01 ผลิตโดยสถาบันวัสดุใหม่ Guangdong Academy of Sciences โดยมีขนาดอนุภาค 50-100 μ m หลังจากการกรองแล้ว ผงไทเทเนียมจะถูกอบที่อุณหภูมิ 120 องศา เป็นเวลา 30 นาที เพื่อลดผลกระทบของความชื้นที่มีต่อคุณภาพของสารเคลือบ อุปกรณ์ฉีดพ่นเย็นเสร็จสมบูรณ์บน PCS1000 ที่ผลิตโดย Plasma Giken ในประเทศญี่ปุ่น
ใช้เครื่องตัดลวดแบบคายประจุไฟฟ้าเพื่อตัดตัวอย่างเพื่อวิเคราะห์ลักษณะเฉพาะของโครงสร้างจุลภาคและการวิเคราะห์องค์ประกอบของหน้าตัดขวาง ตัวอย่างทางโลหะวิทยาจัดทำขึ้นโดยวิธีการบดและขัดเงาด้วยเครื่องจักร สารละลายเอธานอลของกรดไนตริกที่มีอัตราส่วนปริมาตร 1:19 ใช้เป็นสารกัดกร่อน คุณสมบัติโครงสร้างจุลภาคถูกกำหนดลักษณะโดยใช้ OM (Leica DVM6M) และ SEM (Phenom ProX) ที่ติดตั้ง EDS การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์ของตัวอย่างทางโลหะวิทยา
วัดความแข็งโดยใช้เครื่องทดสอบความแข็งระดับไมโครของ Vickers โดยมีเวลาคงตัวอยู่ที่ 10 วินาทีและน้ำหนัก 500 กรัม ทำการวัดทุกๆ 0.4 มม. จากพื้นผิวเคลือบถึงพื้นผิว การทดสอบแรงเสียดทานและการสึกหรอใช้เครื่องทดสอบแรงเสียดทานและการสึกหรอแบบลูกสูบความเร็วสูง โดยมีโหลด 20 N เวลา 10 นาที ความถี่ 1 Hz ความยาวทดสอบ 10 มม. และลูกเหล็ก GCr15 เป็นแรงเสียดทาน คู่. ก่อนการทดสอบเคมีไฟฟ้า ตัวอย่างจะถูกปิดผนึกด้วยอีพอกซีเรซิน ขัดด้วยกระดาษทรายโลหะเพื่อขจัดออกไซด์ของพื้นผิว ทำความสะอาดด้วยเอทานอลและน้ำบริสุทธิ์ และสุดท้ายทำให้แห้งด้วยอากาศร้อนเพื่อให้ได้พื้นผิวเคลือบที่สะอาด การทดลองดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง สื่อทดลองคือสารละลายน้ำทะเลจำลอง (3.5% NaCl) โดยใช้ระบบอิเล็กโทรดสามระบบ ตัวอย่างคืออิเล็กโทรดที่ใช้งาน อิเล็กโทรดเคาน์เตอร์คือแผ่นแพลทินัม และอิเล็กโทรดอ้างอิงคืออิเล็กโทรดคาโลเมลอิ่มตัว (SCE) อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์เคมีไฟฟ้าได้รับการทดสอบบนเวิร์กสเตชันเคมีไฟฟ้า (CHI760E) ที่ศักย์ไฟฟ้าวงจรเปิด โดยมีความถี่ในการทดสอบ 105~10-2เฮิรตซ์ และศักย์ไฟฟ้ารบกวน 10 มิลลิโวลต์ เครื่องทดสอบการกัดกร่อนของสเปรย์เกลือ (EASS{16}}) ของ China Electrical Apparatus Research Institute Co., Ltd. ใช้สำหรับการทดสอบสเปรย์เกลือ จากการทดสอบการกัดกร่อนในบรรยากาศ - การทดสอบสเปรย์เกลือ (GB 10125-1997) สารละลายทดสอบคือสารละลาย NaCl 5% โดยเศษส่วนมวล และอุณหภูมิในกล่องสเปรย์คือ 35 องศา
3.อิทธิพลของแรงดันและอุณหภูมิของแก๊สระหว่างการป้อนผงต่อโครงสร้างจุลภาคและสัณฐานวิทยาของการเคลือบไทเทเนียม
พารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างหนึ่งในกระบวนการพ่นเย็นคือความเร็ววิกฤตของอนุภาคที่ถูกพ่นก่อนที่จะชนกับซับสเตรต สำหรับวัสดุเมทริกซ์ที่กำหนด จะมีความเร็ววิกฤติอยู่ซึ่งเฉพาะอนุภาคที่มีความเร็วมากกว่าความเร็ววิกฤติเท่านั้นที่สามารถสะสมไว้เพื่อสร้างสารเคลือบได้ ในขณะที่อนุภาคที่มีความเร็วต่ำกว่าความเร็ววิกฤตเท่านั้นที่จะเด้งกลับมาก่อตัวเป็นสารเคลือบ ความเร็ววิกฤติของอนุภาคสเปรย์เย็นขึ้นอยู่กับปัจจัยต่างๆ เช่น ความหนาแน่นของวัสดุ จุดหลอมเหลว ความต้านทานแรงดึงสูงสุด และอุณหภูมิของอนุภาคเริ่มต้น ในระหว่างกระบวนการพ่นเย็น โลหะ เช่น Cu, Zn และ Al มีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนรูปพลาสติกขนาดใหญ่ของอนุภาค ส่งผลให้มีการเคลือบหนาแน่น อย่างไรก็ตาม Ti เนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง จึงเป็นเรื่องยากที่จะได้รับการเคลือบที่มีความหนาแน่นผ่านทฤษฎีการสะสมการเปลี่ยนรูปแบบการชนของการพ่นด้วยความเย็น อย่างไรก็ตาม การศึกษาที่เกี่ยวข้องแสดงให้เห็นว่าการเพิ่มอุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงสามารถลดความพรุนของสารเคลือบได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความพรุนของสารเคลือบเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการป้องกัน ภายในช่วงที่อนุญาตของอุปกรณ์ ผู้เขียนได้ตรวจสอบอิทธิพลของอุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงที่มีต่อโครงสร้างจุลภาคของการเคลือบไทเทเนียม
รูปที่ 2 แสดงสัณฐานวิทยาทางโลหะวิทยาของตัวอย่างการเคลือบไทเทเนียมที่เตรียมภายใต้พารามิเตอร์แรงดันและอุณหภูมิของก๊าซป้อนผงที่แตกต่างกัน เนื่องจากการฉีดพ่นเย็นเป็นวิธีการสะสมโซลิดสเตต จึงมีผลกระทบต่อความร้อนเพียงเล็กน้อยบนพื้นผิว และอนุภาคจะไม่ละลายในระหว่างกระบวนการสะสม ดังนั้นแผ่นไทเทเนียมและแผ่นเหล็กที่ด้านวัสดุพิมพ์จึงไม่เสียหาย และสามารถเตรียมการเคลือบไทเทเนียมได้ภายในช่วงอุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงที่ศึกษา จากรูปที่ 2 จะเห็นได้ว่าความดันและอุณหภูมิของก๊าซป้อนผงมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อความหนาของสารเคลือบ ความหนาของสีเคลือบที่เตรียมภายใต้สภาวะต่างๆ ภายในเวลาพ่นเดียวกันสามารถเทียบเคียงได้ โดยมีความหนาเฉลี่ย 2.70 มม. อย่างไรก็ตาม พารามิเตอร์ของก๊าซป้อนผงมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อโครงสร้างของการเคลือบไทเทเนียมแบบพ่นเย็น
บทสรุป
1) การเพิ่มอุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงในระหว่างกระบวนการพ่นเย็นไม่เพียงช่วยลดความพรุนของสารเคลือบและปรับปรุงความหนาแน่น แต่ยังช่วยยับยั้งการหลุดล่อนของสารเคลือบและเพิ่มการยึดเกาะภายในของสารเคลือบให้แข็งแรงขึ้น เมื่ออุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงเพิ่มขึ้นจาก 800 องศา และ 3 MPa เป็น 900 องศา และ 5 MPa ตามลำดับ ความพรุนของสารเคลือบลดลงจาก 4.25% เป็น 1.14%
2) เนื่องจากอุณหภูมิต่ำของก๊าซป้อนผงในระหว่างการเตรียมสเปรย์เย็นของการเคลือบไทเทเนียม จึงไม่พบออกซิเดชันที่มีนัยสำคัญในการเคลือบไทเทเนียมที่เตรียมไว้ ซึ่งส่วนใหญ่ประกอบด้วยโลหะ Ti ในเวลาเดียวกัน ภายใต้สภาวะอุณหภูมิและความดันของก๊าซป้อนผงที่สูงขึ้น (900 องศาและ 5 MPa) การเคลือบไทเทเนียมบนด้านแผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมมีความเข้ากันได้ดีกับสารตั้งต้นและไม่มีส่วนต่อประสานที่ชัดเจนเนื่องจากองค์ประกอบที่สอดคล้องกัน ส่วนต่อประสานระหว่างการเคลือบไทเทเนียมกับแผ่นเหล็กมีความชัดเจน และไม่มีการแพร่กระจายขององค์ประกอบอย่างมีนัยสำคัญ
3) การเพิ่มอุณหภูมิหรือความดันของก๊าซป้อนผงในระหว่างกระบวนการพ่นเย็นมีประโยชน์ในการเสริมการเปลี่ยนรูปพลาสติก ปรับปรุงความหนาแน่นของสารเคลือบ และเพิ่มความแข็งระดับไมโครและความต้านทานการสึกหรอของสารเคลือบ การเคลือบไททาเนียมที่เตรียมโดยใช้ GCr15 เป็นคู่เสียดทาน โดยมีแรงดันแก๊สป้อนผง 5 MPa และอุณหภูมิ 900 องศา แสดงอัตราการสึกหรอ 0.32 × 10-3มม.3/(N · m) หลังจากสวมใส่ 10 นาทีภายใต้ภาระ 20 N
4) การเคลือบไททาเนียมแบบพ่นเย็นที่เตรียมไว้ที่ส่วนหน้าของแผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี หลังจากการทดสอบสเปรย์เกลือที่เป็นกลางเป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง การเคลือบจะสมบูรณ์และไม่มีการกัดกร่อนของสนิมที่ชัดเจนบนพื้นผิว แสดงให้เห็นว่าการเคลือบไทเทเนียมป้องกันอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนไม่ให้แทรกซึมเข้าไปในซับสเตรตได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการให้บริการของแผ่นคอมโพสิตเหล็กไทเทเนียมได้อย่างมาก ในสภาพแวดล้อมทางทะเล
