金屬熱噴涂涂層耐蝕性評價(jià)方法及應(yīng)用

采用Zn、Al陽極金屬及其合金（如Zn/Al、Al/Mg、Al/Mg/Zn、Al/Mg/Re等）熱噴涂涂層對鋼鐵構(gòu)件、建筑物進(jìn)行長效腐蝕防護(hù)的技術(shù)得到了普遍認(rèn)可和持續(xù)發(fā)展，對其耐久性的測試評價(jià)技術(shù)也一直在不斷地改進(jìn)、完善與創(chuàng)新中。由于各類陽極金屬熱噴涂涂層防護(hù)性能的評價(jià)結(jié)果不僅影響到其自身的應(yīng)用與推廣，還涉及到各相關(guān)方的經(jīng)濟(jì)利益，其測試技術(shù)及結(jié)果的可靠性和精確性都值得大家積極探討與創(chuàng)新提高。
    2陽極金屬熱噴涂涂層的耐久性試驗(yàn)方法
    2.1鹽霧試驗(yàn)
    單層陽極金屬熱噴涂涂層耐久性的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法主要有耐氣、霧試驗(yàn)（如耐中性鹽霧試驗(yàn)、耐SO2氣氛試驗(yàn)）、耐介質(zhì)浸漬試驗(yàn)（如耐酸雨試驗(yàn)、耐堿液試驗(yàn)、模擬海水全浸試驗(yàn)）以及環(huán)境循環(huán)試驗(yàn)（如鹽霧-老化循環(huán)試驗(yàn)、各類介質(zhì)間交替試驗(yàn)）等[1]；當(dāng)對陽極金屬熱噴涂復(fù)合涂層進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，主要通過涂層破壞性方法進(jìn)行上述耐久性試驗(yàn)，測評復(fù)合涂層體系的耐蝕性。
    金屬熱噴涂涂層的戶外自然老化試驗(yàn)則在實(shí)海環(huán)境下進(jìn)行，如海洋大氣區(qū)、浪濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)等。由于金屬熱噴涂涂層、金屬熱噴涂復(fù)合涂層有較好的耐蝕性且設(shè)計(jì)使用壽命在30～50年，其耐久性測試一般需要進(jìn)行很長時(shí)間，如果按鋼結(jié)構(gòu)中性鹽霧加速試驗(yàn)200h代表鋼結(jié)構(gòu)使用1年的觀點(diǎn)，鹽霧試驗(yàn)1次就需要5000h以上，目前有進(jìn)行16000h鹽霧試驗(yàn)的報(bào)道[2]；實(shí)海試驗(yàn)則以美國焊接學(xué)會熱噴涂委員會進(jìn)行的19年的現(xiàn)場掛片試驗(yàn)為代表[3]。
    為提高加速效果并保證與現(xiàn)場暴露試驗(yàn)的相符性，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會的ASTMD5894和G85標(biāo)準(zhǔn)、美國腐蝕工程師協(xié)會的NACETM0304及挪威石油標(biāo)準(zhǔn)化組織的NorsokM-501標(biāo)準(zhǔn)將“紫外線/冷凝”程序引入到常規(guī)的“鹽霧/干燥”循環(huán)中，NorsokM-501標(biāo)準(zhǔn)更加入了“冷凍/解凍”程序，研究表明[4-6]，上述試驗(yàn)方法取得了極佳效果，更接近于現(xiàn)場暴露試驗(yàn)結(jié)果。
    2.2電化學(xué)試驗(yàn)
    電化學(xué)方法是陽極金屬熱噴涂涂層耐久性試驗(yàn)最普遍也是最可靠的方法，測試方便快捷、破壞少、獲得與涂層防護(hù)性能相關(guān)的直接信息量大，同時(shí)能對金屬的腐蝕機(jī)理及涂層失效行為進(jìn)行更深入的研究。目前應(yīng)用于陽極金屬熱噴涂涂層檢測的主要是直流電化學(xué)法和電化學(xué)阻抗譜法，其中直流電化學(xué)法具體有電位-時(shí)間法、極化曲線法和極化電阻法等，上述方法主要用于金屬涂層裸露試樣的試驗(yàn)[7-10]。
    電化學(xué)阻抗譜法也有其局限性，為了得到Tafel直線段需要將電極極化到強(qiáng)極化區(qū)，電極電勢偏離自腐蝕電勢較遠(yuǎn)，這時(shí)的陰極或陽極過程可能與自腐蝕電勢下的有明顯的不同；其次，由于極化到Tafel直線段，所需電流較大，容易引起電極表面狀態(tài)、真實(shí)表面積和周圍介質(zhì)的顯著變化。因此要求每一次試驗(yàn)使用一個(gè)新的樣品，不利于比較性研究[11]。弱極化法測量雖然避免了強(qiáng)極化法對腐蝕體系擾動過大、線性極化法由于近似處理存在的明顯誤差，但忽視了介質(zhì)電阻等對測量的影響。影響腐蝕電位的因素主要有涂層電阻、因金屬離子和OH-等腐蝕產(chǎn)物擴(kuò)散緩慢造成的濃度梯度和緩蝕劑對腐蝕的抑制作用等。
    針對線性極化法中極化電阻測量中存在的介質(zhì)電阻影響，中科院金屬所鄭立群等人利用交流阻抗和弱極化相結(jié)合技術(shù)，在CMB-1510B等的基礎(chǔ)上研制了CMB-4510測量儀，有效解決了線性極化技術(shù)及介質(zhì)電阻存在的誤差[12]，提高了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。
    3陽極金屬熱噴涂涂層耐久性的評價(jià)
    3.1涂層失重法
    檢測試樣測試前后質(zhì)量的變化，對失重/增重的變化過程、趨勢及大小等進(jìn)行分析對比，其涂層試樣則被認(rèn)為耐蝕性較優(yōu)。目前失重法研究面臨的最大難題是如何簡捷、準(zhǔn)確、可靠地去除試驗(yàn)后金屬涂層產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，因?yàn)榻饘偻繉釉趪娭菩纬蛇^程中也形成了大量的氧化物，涂層中還夾雜了許多松散顆粒，試驗(yàn)時(shí)金屬涂層表面的氧化物及雜質(zhì)很容易脫落，清洗時(shí)也無法保證原有氧化物不被清洗掉，這些都會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生極大的影響，而試樣一旦清洗也即被終止繼續(xù)參與試驗(yàn)。現(xiàn)有研究結(jié)果存在明顯的爭議，正說明失重法粗略評價(jià)的更多是金屬涂層自身的耐蝕性，并不能單獨(dú)用來準(zhǔn)確地衡量其對金屬基材的保護(hù)性能。
    3.2涂層厚度損失法
    電化學(xué)法主要通過測量熱噴涂金屬涂層的腐蝕電流、極化電阻，經(jīng)過計(jì)算得出涂層的腐蝕速率，根據(jù)其大小來評價(jià)涂層的耐蝕性能。實(shí)際檢測時(shí)，腐蝕介質(zhì)一般都是封閉或半封閉體系，與環(huán)境的開放體系不同，測試過程中即使腐蝕介質(zhì)整體處于動態(tài)循環(huán)過程中，其腐蝕物的消耗也具有明顯的變化趨勢，那些腐蝕介質(zhì)用量少更換或補(bǔ)充頻率低,數(shù)據(jù)測取時(shí)機(jī)不對，研究結(jié)果就會出現(xiàn)較大問題；由于陽性金屬具有的高活性，其熱噴涂涂層在試驗(yàn)初期的腐蝕速率較快、試驗(yàn)進(jìn)程中涂層表面（包括粒子表面）氧化膜作用發(fā)揮不一，也會導(dǎo)致試驗(yàn)過程中不同陽性金屬腐蝕速率變化較大，這樣當(dāng)試驗(yàn)周期較短時(shí)就會出現(xiàn)涂層腐蝕速率較大、較長時(shí)測量數(shù)據(jù)存在較大偏差等問題。現(xiàn)有研究表明[13-14]，試驗(yàn)介質(zhì)的溫度、溶解氧含量以及試樣在介質(zhì)中的位置都會對腐蝕結(jié)果產(chǎn)生一定影響。另外由于熱噴涂金屬涂層表面粗糙不平且含有大量空隙，介質(zhì)浸滲其中，電化學(xué)測評時(shí)熱噴涂金屬涂層試樣電極的表面積更難以準(zhǔn)確計(jì)算，這都影響了測量結(jié)果及評價(jià)。
    3.3涂層微觀結(jié)構(gòu)分析法
    即采用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射儀、金相分析等現(xiàn)代化儀器測試分析陽極金屬熱噴涂涂層微觀結(jié)構(gòu)、成分等的變化，主要用于剖析涂層的腐蝕機(jī)理，一般不適于定量評價(jià)涂層的耐蝕優(yōu)劣。目前定量評價(jià)主要根據(jù)同一類涂層試樣不同試驗(yàn)階段微觀結(jié)構(gòu)的化
    進(jìn)行對比，但是這樣一來，試樣及其測量點(diǎn)的持續(xù)選擇就會存在一定的隨意性和主觀性，涂層微觀結(jié)構(gòu)變化很難保證連貫性及準(zhǔn)確性。
    綜上所述，由于陽極金屬熱噴涂涂層防護(hù)機(jī)理的多樣性以及試驗(yàn)環(huán)境影響的復(fù)雜性，僅憑單一測試項(xiàng)目或某一階段時(shí)間內(nèi)的測試很難對其防護(hù)效果做出準(zhǔn)確可靠的評價(jià)，需要將上述各種方法的檢測結(jié)果結(jié)合起來，進(jìn)行綜合分析后才能做出較為可靠的評價(jià)。
    4測評結(jié)果
    4.1涂層耐蝕性
    目前對各種熱噴涂用絲材的耐蝕性能及其優(yōu)劣評價(jià)很少有異議，而對各種熱噴涂涂層耐蝕性能檢測評價(jià)的爭議激烈，主要集中在鋁涂層與鋅鋁偽合金涂層上。