耐腐蚀纳米复合涂层的力学性能及其在阀体上的应用.doc

耐腐蚀纳米复合涂层的力学性能及其在阀体上的应用可行性研究报告 一、立项的背景和意义 在工业生产中，腐蚀是常见的导致设备事故和失效的主要因素之一。设备的腐蚀与磨蚀是难以避免的，它会造成巨大的经济损失甚至危及人身安全，后果十分严重。对主要工业国家的统计调查显示，腐蚀与磨蚀造成的损失约占国民经济总产值4%之多。比如美国腐蚀与磨蚀造成的损失一年为1000亿美元；中国磨蚀损失每年约为400亿元，腐蚀损失约为200亿元[1]。作为机械电子产品设计应考虑的主要因素之一 ，降低或避免腐蚀所带来的工业危害是工程技术人员和科技工作者非常关心的问题。 阀门在国民经济各个部门特别是工业生产部门有着广泛的应用。在气体、液体、粉末材料输送的管路系统中，阀门用于控制流体的压力、流量和流向，具有导流、截流调节、节流、分流或溢流卸压、防止倒流等功能[2]。随着人类对工艺技术和环保要求的日益提高，对阀门也提出了低泄露、长寿命的要求。影响阀门使用寿命的主要因素是阀门密封面的使用寿命，阀门密封面的材料、密封面的表面处理工艺等因素直接关系到阀门的工作寿命[3]。近年来，人们从摩擦学、机械学、材料科学、表面物理、表面化学等学科对阀门的密封面进行了大量的研究，取得了一定的成果，但还不能满足在粉末介质、危险介质、腐蚀介质、高温环境对阀门提出的使用寿命要求。 图1-1为本企业所生产的阀门腐蚀阀芯与新阀芯的对比照片，由于在使用过程中腐蚀、磨损与气蚀的有害影响广泛存在，且十分严重。在相对恶劣的使用环境下，阀芯表面遭腐蚀磨损，从而导致阀芯关不严，使控制调节流量的功能失效。上阀芯在开关控制调节流量大小的时候，工作环境中会有一些杂物，而且承受比较大的压力，故在调节过程中其端面边角处（如图1-2）就相当是切削到刀刃，对一些夹杂物进行切割运动，起端面镀层在长期受力状态下，可能被剥落。从而导致镀层失效，不能从根本上解决阀芯在工作过程中遭腐蚀磨损的问题。 图1-1 腐蚀阀芯与新阀芯的对比照片 图（1-2）下阀芯示意图 随着科学技术的高速发展，涂层技术发展迅速，材料、制备方法、性能表征，技术手段防护机理都取得了显著成就。其以优异的机械性能，良好的性价比优势在材料表面保护方面显示出广阔的应用前景。利用涂层技术改善材料表面的性能，对其起到防护、密封、抗磨、抗冲击、减振、隔热等作用，可提的可靠性，延长使用寿命。涂层防腐蚀是一种经济实用、操作便捷的有效措施。3(PO4)2，NiP-ZnSnO3，NiP-ZnSnO3纳米化学镀复合镀层。结果表明，纳米复合化学镀层耐盐水、H2S气体的腐蚀性能不仅优于磷化膜，甚至优于Ni-P镀层，纳米微粒的存在改变了Ni-P镀层的形貌，不仅使表面致密化，也使复合镀层的表面自由能降低，因而增加了其耐腐蚀性能[14,15]。文献[16]研究了钇稳定氧化锆纳米涂层的热障性能，结果表明，该涂层具有极好的耐热性和热障性能，有望成为新一代的热障涂层。纳米结构热障涂层的裂纹长度较小，具有较高的结合强度和断裂韧性，涂层的组成和显微结构能保持长期稳定[17]。Pardo等[18-19]对比研究了材料在非晶、纳米晶和完全晶化3种状态时的耐腐蚀性能，结果表明纳米晶结构的材料比非晶和完全晶化的材料具有更好的耐腐蚀性能，主要是由于纳米晶结构的材料在腐蚀过程中存在自钝化倾向而更容易形成保护膜。其它研究结果[20]也表明在纳米晶结构的溅射薄膜或涂层中由于各相的尺寸都为纳米尺度，因而在材料中存在大量晶界和自由表面，晶界处原子排列不规则，晶格畸变能大，具有较高的活性，容易与腐蚀溶液中的离子发生化学反应形成钝化膜。因此，热处理后呈纳米晶结构的Cr-Si-Ni和Cr-Si-Ni-A1薄膜在在25℃的0.1mol/L NaOH溶液中很容易发生自钝化现象而在薄膜表面形成保护膜[21]。 而CVD通过引入不同的反应气体就能制备出各种复合涂层，沉积的涂层厚度均匀，但CVD涂层合成温度高达1000—1100摄氏度，超过了绝大多数常用材料的热处理温度，易引起基体组织变化，在涂层与基体界面形成脆性层，降低工件强度，影响工件形状尺寸，同时能源消耗也大[22]。而真空蒸镀、溅射和离子镀都属于物理气相沉积(PVD)技术，与CVD方法相比，PVD法成膜温度较低，因而具有广阔的应用前景[5]。其中的磁控溅射法，只要能制备出合适的靶子便可溅射出相应的涂层，即便对半导体、绝缘体也可以用RF源进行溅射。溅射法制备纳米粒子具有很多优点，如靶材料蒸发面积大，粒子收率高，制备的粒子均匀、粒度分布窄，适合于制备高熔点金属型纳米粒子。利用反应性气体的反应溅射，还可以制备出各类复合材料和化合物的纳米粒子。特别是后来研究开发的非平衡磁控溅射法(UBM)[23]，弥补了其沉积速率和膜纯度低的不足，因而得到了广泛应用。 磁控溅射在阀门表面强化处理上的