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冷喷涂防腐涂层的研究现状

时间:2017-08-05 20:49:28  来源:AG现金网热喷涂网整理  作者:tianzhongma

    根据冷喷涂制备防腐涂层的研究报道,将防腐涂层分为金属涂层、复合涂层、非金属涂层。

1 金属涂层

1.1 AlAl合金涂层

    AlAl合金涂层是金属构件腐蚀保护的常用材料。谷春燕等研究表明,冷喷涂Al涂层比热喷涂涂层均匀致密,孔隙率低,具有较高的耐蚀性。董彩常等测试铝涂层在海水中的自然腐蚀电位表明,400h后腐蚀电位在0.785V(vs.SCE)左右波动,可为碳钢提供阴极保护作用;对涂层交流阻抗谱和动电位极化曲线的分析表明,铝涂层表面生成致密的腐蚀产物,阻碍海水中腐蚀介质的扩散,从而降低涂层的腐蚀速度。

    李相波等在Q235钢基体上制备了不同质量比的Al-Zn涂层。通过扫描电镜观察和能谱分析发现,冷喷涂各组分Al-Zn涂层的内部无明显缺陷,氧化率为2%~4%,涂层截面孔隙面积很小。开路电位实验表明,1500h后,冷喷涂各组分Al-Zn涂层的电位基本稳定在1.0V(vs.SCE),可以长效地为钢基体提供阴极保护作用。通过测定涂层在海水中的腐蚀电流发现,24d后各组分Al-Zn涂层的腐蚀电流密度稳定在1μA/cm2左右,涂层表面发生均匀缓慢腐蚀,有效地降低了涂层的腐蚀速度。

    石仲川等研究发现,Al-Zn涂层平均孔隙率为0.8%,中性盐雾实验1000h后的抗腐蚀性能强于纯铝和纯锌涂层,即使Al-Zn涂层被破损也能达到770h的防腐效果。同时经过12个月的户外大气暴晒实验发现,Al-Zn涂层表面无腐蚀发生,对高强钢基体起到良好的保护作用。

    除了集中研究AlAl-Zn合金涂层提供阴极保护作用以外,研究者还报道了其他Al合金涂层的研究,例如,李相波等制备的Al-CoNiCrAlY高温合金涂层与钢基体的结合力良好,中性盐雾实验240h后,合金涂层表面完整,只有少许白锈,在10d的测试中一直没出现红锈。10d海水浸泡实验发现,Al-CoNiCrAlY合金涂层的自腐蚀电位一直稳定在0.85~0.9V(vs.SCE),低于裸钢的保护电位(0.78V),对钢基体起到阴极保护作用,可用于解决船舶内燃机和发动机材料易腐蚀问题。Al基块体非晶涂层以其优异的耐磨损和耐腐蚀性能受到广泛地研究和关注,WuX.Q.等制备的Al88Ni6La6Al86Ni6La6Cu2非晶合金涂层,与Al涂层相比具有更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度。D.Lahiri等通过扫描电镜发现,冷喷涂Al90.05Y4.4Ni4.3Co0.9Sc0.35非晶涂层的致密度达到98%。动电位极化试验表明,Al90.05Y4.4Ni4.3Co0.9Sc0.35非晶涂层在0.01mol0.1molNaCl溶液中的钝态电流为2.0~6.3μA,远低于6061Al基体的钝态电流(9.8~28.7 A),同时利用Tafel线推算出的非晶涂层腐蚀速率是6061Al基体腐蚀速率的1/5。因此,采用冷喷涂技术制备的Al基非晶涂层在防护方面具有很大的应用前景。

1.2 NiNi合金涂层

    Ni及其合金在海水、低浓度氢氟酸、硫酸和碱性液体中能保持高强度和良好的耐腐蚀性能,广泛应用于耐腐蚀性的工业领域,如化学制品、石油化学加工、污染治理、石油天然气的开采、船舶工程、发电机设备,以及纸浆和纸张的生产等。

    邢路阔等采用低压冷喷涂设备在45#钢基体上制备Ni-Zn-Al2O3金属陶瓷涂层,工艺参数的限制导致Ni-Zn-Al2O3涂层内部存在贯穿孔隙,致密性较差,但是涂层中的Ni有效阻止了Zn腐蚀产物Zn(OH)2的分解而具有化学防护作用。天然海水浸泡实验表明,60d后,Ni-Zn-Al2O3涂层的腐蚀表面无红锈产生,表现出良好的腐蚀防护性能。

    Ni-Cr涂层作为耐高温和耐酸碱腐蚀牺牲层,被广泛应用于锅炉、垃圾焚化炉等高温环境中。S.Harminder等采用Kinetics4000高压冷喷涂系统在Ni基不锈钢上制备了平均孔隙率为0.875%Ni-50Cr涂层。通过在900℃的废物焚烧炉中进行1000h的高温腐蚀研究表明:Ni-50Cr涂层表面生成了一层致密均匀的氧化皮,有效地阻碍了涂层与高温环境中的氧氯化反应,从而提高了超耐热不锈钢基体的使用寿命。S.Harpreet等进一步研究Ni-20Cr涂层在T22锅炉钢上的热腐蚀性。研究表明,在温度为900℃的Na2SO4-60wt%V2O5熔盐环境中,制备的Ni-20CrNi-20Cr-TiCNi-20Cr-TiC-Re三种冷喷涂涂层能分别降低T22锅炉钢73%83%90%的热腐蚀速率。

    当然,并不是所有的Ni基合金涂层均可获得优异的防腐性能,例如,H.Koivuluoto等研究Ni-30%Cu涂层的自然腐蚀电位发现,与超音速火焰喷涂(HVOF)制备的涂层相比,冷喷涂Ni-30%Cu涂层的腐蚀几率较大,原因是Ni-30%Cu涂层中存在贯通的气孔。需要进一步优化冷喷涂工艺参数,才能提高Ni-30%Cu涂层的防腐性能。进一步对NiNiCuNiCu+Al2O3涂层进行涂膏耐腐蚀试验研究发现,对涂层进行热处理能显著降低涂层孔隙率,提高其耐蚀性。S.Tria等采用冷喷涂技术制备Ni-Ti涂层时发现,在扫描电镜下,球形的Ti颗粒与扁平状的Ni颗粒交错形成多层结构,这是因为NiTi颗粒本身的强度和塑性差异导致变形不一致,最终导致涂层孔隙率较大而影响其耐腐蚀性能。

1.3 Cu基涂层

    相比AlNi涂层,利用Cu金属制备Cu基防腐涂层的研究相对较少,但是,当代学者认为CuCu合金涂层在海水中具有抗污防腐能力,例如,K.D.Efird认为在海水当中的Cu以及Cu合金能够形成氧化铜膜的溶解质,从而释放出亚铜离子,能有效地毒杀海洋生物。徐经委等制备的Cu-Ni合金涂层在经过海水曝晒2年后丧失了抗污防腐性能,研究发现Cu-Ni合金涂层中氧化亚铜成分很少,无法大量释放亚铜离子达到防止海洋生物污损船工装备的目的,进一步证实了K.D.Efird的研究成果。丁锐等制备了防污效果最好的Cu-30%Cu2O涂层,经过绝缘处理后,涂层的防腐防污能力大幅提升,在服役1年之后仍没有明显的生物附着,也没有发生严重腐蚀,目前已经成功应用于实船的海底门部位。

1.4 其他金属涂层

    除了上述AlNiCu金属合金,研究者还采用Ti和其他合金作为防腐涂层,例如,王祺等在不锈钢基体上制备Ti涂层,经过60d的中性盐雾试验发现,Ti涂层表面无红锈渗出,能有效地保护不锈钢基体。文献通过测定Co基硬质合金涂层的动电位值和电流密度表明,与基板相比,动电位为0.3~0.4V、电流密度为0.5~0.65μA/cm2Co基硬质合金涂层具有更高的腐蚀电位和更低的电流密度,能改善基板的摩擦腐蚀性能。

2 复合涂层

    目前,人们对复合涂层材料的研究越来越深入。采用复合涂层技术获得的防腐涂层种类主要包括:金属-陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、多层复合涂层、梯度功能复合涂层等。例如,M.Couto等系统地研究了冷喷涂WC-25Co涂层的耐腐性能,研究表明,浸入35℃、5%NaCl溶液12h后,溶液尚未到达涂层/基体界面;500h5%NaCl盐雾腐蚀后,涂层表面未出现点蚀。在优化的参数条件下,冷喷涂WC-Co涂层比HVOF喷涂WC-Co涂层表现出更高的耐腐蚀性能。

    邱善广等采用冷喷涂技术制备Al-Al2O3涂层发现,加入10%~20%(体积分数)Al2O3的陶瓷相粉末,可以将涂层的孔隙率降低至1%~3%。对Al-Al2O3涂层进行海水浸泡的电化学性能测试和海洋飞溅区的耐蚀性能试验表明,Al-Al2O3涂层的表面钝化膜和腐蚀产物膜具有物理隔离作用和阴极保护作用,可以为钢基体提供全面有效的腐蚀防护。K.Spencer等对Al-Al2O3涂层进行阳极极化和盐雾腐蚀实验表明,电解液没有腐蚀基板,加入Al2O3陶瓷相颗粒对涂层的抗腐蚀性没有负作用。O.Meydanoglu等在T66061Al合金基板上分别沉积了7075Al合金涂层以及7075Al-B4C7075Al-SiC金属陶瓷涂层。采用微观检测手段发现,涂层孔隙率平均为(0.5±0.1)%(体积分数),不受B4CSiC陶瓷相的影响。对冷喷涂金属陶瓷涂层的开路电位和动电位极化曲线的分析表明,7075Al合金涂层比7075Al金属陶瓷涂层均具有良好的耐腐蚀性。WangY.Y.等对5056Al-SiC复合涂层的电化学分析同样表明,涂层中SiC的体积分数变化对5056Al-SiC复合涂层的阳极极化行为没有影响。

    LiW.Y.等研究Ni-Al2O3涂层在高温条件下的抗氧化腐蚀表明,涂层中的颗粒在850℃高温条件下发生冶金结合而变得更加致密,整个涂层几乎没有氧化层和氧化物渗透,可以有效地防止氧化腐蚀。ZhaoZ.B.等利用冷喷涂技术制备Zn-Al-Si复合涂层时,采用电磁或激光重熔法获得Zn集中分布在表层的Zn-Al梯度涂层,利用涂层中电化学势的差异降低涂层的电化学腐蚀速率,从而进一步提高基板的使用寿命。ZhouX等研究表明,Ti-50%HAP(羟基磷灰石)比Ti-Ca10(PO4)6(OH)2)-20%HAP具有更低的腐蚀电流和更高的耐腐蚀性能。

3 非金属涂层

    非金属涂层具有优异的韧性、耐磨性和抗冲击性能,因此在表面防腐、防空蚀和机械撞击等方面应用广泛。冯拉俊等采用自行研制的套管式冷喷涂枪在X70管线钢上沉积高密度聚乙烯涂层,利用冲蚀和加速腐蚀试验研究聚乙烯涂层在油气管道输送环境中的耐蚀性。研究表明,喷涂温度为200℃时,制备的聚乙烯涂层具有较好的耐冲刷性和耐腐蚀性能,冲刷试验中只有在锐角和高压力冲刷条件下才出现划痕和减重现象,在温度为40~60℃和体积分数均为3%的氯化钠、硫化钠的混合溶液中,聚乙烯涂层的腐蚀速率为8.3~10.5mg/(m2h),相当于5mm厚的涂层具有长达50年的使用寿命。

    K.Ravi等通过优化冷喷涂喷管,在Al和聚丙烯基板上实现了超高分子量聚乙烯涂层的沉积,同时通过在聚乙烯粉末中添加纳米级Al2O3陶瓷相解决了涂层稀薄和易脆问题,为后续聚乙烯涂层的耐腐蚀性研究奠定了基础。宋岩等采用冷喷涂技术在云峰电站的水口闸门上制备IC531无机硅酸锌涂层,经过防腐性能对比试验表明,相对于氯化橡胶和环氧沥青涂层,该涂层具有更加优良的耐盐水性、耐有机溶剂性以及耐热性,同时具有极强的粘附性、不溶解性、快速固化性和金属硬度,是适合于大面积钢结构表面防腐的新型防腐方法。

  

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