高抗锌蚀多级结构复合涂层组织结构设计及耐蚀机理研究

低能耗、少排放的熔锌内加热代表了熔在钢基体表面制备复合纳米陶瓷涂层材料作为熔锌内加热套管材料。复合纳米涂层采用多层复合结构，以耐液锌腐蚀、抗高温氧化、导热性好与基体结合强度较高的铁铝金属间化合物为底层；用致密、耐液锌腐蚀性好的ZrO2+Al2O3（或SiC）准微米材料作为工作层；由反应等离子喷涂Fe2O3-Al复合粉制备的FeP/纳米铁铝尖晶石复相材料为中间层，利用铁铝尖晶石成分可以在很宽的范围内变化的特点，通过调整Fe2O3-Al复合粉的比例来调控中间层铁铝尖晶石成分及FeP/纳米铁铝尖晶石组织，使底层和工作层间在导热性、热膨胀系数、抗热震性等方面相匹配。本项目主要研究构成复合纳米涂层材料，优化涂层结构；研究复合纳米涂层耐液锌腐蚀性及调控中间层组织对涂层性能影响的规律。研究意义在于用熔锌内加热取代当今工程上采用的高能耗、锌耗大、污染严重的外加热，对发展低碳经济具有重要的意义。

按计划完成了项目的内容。本项目研究了适于高温(660℃)热镀锌钢基内加热管的多层复合涂层，主要研究了复合涂层结构及各层在液锌中的腐蚀机理，取得以下成果：.1)研制出以微米(M)Fe-Al合金为底层、以纳米晶(N)铁铝尖晶石为基的复相材料为中间层、以ZrO2+非晶(A)陶瓷为工作层的具有MNA多级结构的Fe-Al/N3/ZrO2/A多层复合涂层。.2)提出了复合涂层各层在液锌中的腐蚀机理：.(1)由热喷涂Fe-Al合金粉所制涂层底层组织为FeAl+(FeAl2+Fe2Al5)共晶。液锌对底层的腐蚀是通过组成相的腐蚀相变来实现：FeAl2→FeAl2Znx(ζ1)→FeAl；FeAl→FeAlZnx→FeAlZnx+δ(FeZn7)→δ+α+Γ(Fe3Zn10)→δ+Γ→ δ → δ+L→ L；Fe2Al5→ Fe2Al5Znx(η) →η+ L→η+δ+L→L。腐蚀初期，腐蚀界面上底层组织变为FeAlZnx+(FeAlZnx+η)共晶，由于(FeAlZnx+η)共晶中的η优先转变成η+L，使共晶组织熔融溃散；在FeAl→L相变中，由于富Zn的Γ及δ固相形成，降低了Zn的扩散速度，FeAl相具有高的耐蚀性。.(2)以纳米晶铁铝尖晶石为基的(Fe1-xAlx)(FexAl2-x)O4+Fe+Al2O3复相材料作为中间层是基于Zn在铁铝尖晶石内的低扩散系数及二者间作用不形成低熔点相的特点，致使铁铝尖晶石呈现较高的耐液锌腐蚀性；金属相被铁铝尖晶石包围的组织特征，使金属相并不影响中间层的耐液锌腐蚀性，反而会提高中间层的强韧性、导热性及热震性。.(3)液锌长时间浸蚀ZrO2会造成涂层碎裂。在初期，液锌与ZrO2不润湿，约500h左右，由于ZnO在液锌与ZrO2界面处形成，使液锌润湿涂层。二者的润湿导致涂层表面的开口孔、微裂纹及晶界等缺陷处与外界隔离，上述被隔绝部位内的氧与锌反应，使这些缺陷内的氧分压降低，导致ZrO2的失稳、失氧(ZrO2-x)、耐蚀性下降，促使锌液沿表面缺陷处进入涂层内部，造成腐蚀区域溃散。.(4)研制出致密且耐高温液锌腐蚀的NXSY-2非晶玻璃陶瓷。液锌的冲刷导致非晶层局部变薄，使非晶层局部失效。.3)带有MNA多级结构复合涂层的钢基内加热管的耐高温液锌腐蚀寿命大于2280h。.4)发表论文24篇，培养博士2人，硕士8人，申请发明专利2项。