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[学位]

基于烟气冷凝环境3003铝合金的腐蚀机制及其表面改性研究

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Author:

杨贺杰 (杨贺杰.)

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学位论文库

Abstract:

换热器的应用,具有节约资源能源和保护环境的双重意义,烟气冷凝器是一种重要的换热器,相关研究已成为国家重点研究项目,也是材料领域国内外学者研究的热点之一,耐腐蚀性能是其能够长期安全高效运行的关键。传统的烟气冷凝器材质多为钛合金、铜合金、不锈钢等,重量大且价格昂贵。采用3003铝合金时不仅具有比强度高、导热性能好、易成形等优点,而且使生产成本显著降低,并实现换热器的轻量化。然而,因服役于含有Cl-、SO42-、NO3-和NO2-的酸性烟气冷凝液环境中,容易发生点蚀,且腐蚀行为呈现复杂之态,其工程应用受到了极大限制。显然,如何提高铝制换热器的抗腐蚀性能,降低材料消耗已成为当前研究的重点。
为了澄清烟气冷凝器的腐蚀失效机理,本文研究了铝合金在含不同阴离子溶液中的腐蚀行为,得到了各阴离子对其点蚀萌生和发展的影响。结果表明Cl-易于吸附在铝合金表面,引起点蚀的萌生;SO42-沉于已形成的点蚀坑底部,促进点蚀的生长;低浓度的NO3-加速铝合金点蚀发展过程;NO2-可促使铝合金表面形成钝化膜,抑制腐蚀进程;在含有Cl-、NO3-和NO2-的腐蚀液中,钝化膜生成的速度大于点蚀坑生长的速度,形成了短杆状的阻挡层,耐蚀性能增强。此研究对于探索抑制铝合金腐蚀的措施具有重要的理论意义。
基于以上研究,为实现在铝合金表面形成有效的缓蚀膜,阻碍腐蚀性溶液继续侵入铝合金的目的,采用CeCl3与NaNO2共同作为缓蚀剂,经过分析不同浓度配比的两者混合物对铝合金缓蚀行为的影响,推断出250mg/L CeCl3和500mg/L NaNO2为最佳的缓蚀剂组合。当250mg/L CeCl3单独作为缓蚀剂时,铝合金表面会形成含Ce2O3的缓蚀膜,一定程度上抑制了阴极反应,缓蚀效率达38.7%。当250mg/L CeCl3和500mg/L NaNO2同时存在时,NaNO2促使表面生成较多的性质稳定的CeO2,形成较致密的缓蚀膜,有效地阻碍了阴极反应,缓蚀效率高达91.0%,相比单独250mg/L CeCl3作为缓蚀剂,提高了1.33倍。混合缓蚀剂的使用,既能节约成本又提高了缓蚀效率,增强了实用性。
接着,对铝制冷凝器表面常用的化学镀镍表面处理工艺进行改进。由于传统化学镀镍浸锌前处理后,开始镀镍时Zn发生溶解,再加上生成的氢气产生的应力作用,很难获得致密且结合强度高的镀镍层。因此,本研究首次引入了具有多孔、硬度低特征的喷涂Al-Ce中间层,然后进行化学镀镍,截面形成了Al、Ni、P和Mn的元素过渡区,形成强的化学结合能力。由于喷涂层的多孔结构,镀镍层可以嵌入其中,形成牢固的机械锁合作用。此外,喷涂层具有较低的硬度,可以有效地抵挡镀镍反应产生的应力,保证界面的结合强度,同时镀镍过程产生的氢气能够较容易地逃逸,得到的镀镍层几乎无微孔出现。因此,喷涂后镀镍层相对于传统镀镍层,表现出优异的耐蚀性能。
近年来,表面超疏水处理常用于换热器的腐蚀防护,可以防止表面积灰、结垢,且腐蚀性介质与表面的接触面积小,延缓腐蚀反应的进行。然而,超疏水表面的机械耐久性是世界性难题,围绕此问题国内外开展了大量研究。本文通过碱性刻蚀+硬脂酸酒精溶液修饰的方法,首次在铝合金表面构建了由微米棒和纳米片组成的超疏水表面,微米棒是刻蚀过程中未受腐蚀的铝合金中的金属间化合物相,而纳米片是刻蚀反应生成的γ-Al(OH)3。微米棒牢固地钉扎于铝合金基体中,可以为超疏水膜提供增强骨架,提高了超疏水膜的机械耐久性,并改善了耐蚀性能,其抑制腐蚀的效率高达~99%。

Keyword:

超疏水表面 腐蚀 化学镀镍 缓蚀膜 铝合金

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学材料科学与工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 高义民

Year: 2018

Language: Chinese

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30 Days PV: 51

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