冷喷涂铝及铝锌涂层海洋大气腐蚀行为研究

论文摘要

海上构筑物如舰船、潮汐发电设备、海底管线、栈桥码头、海上石油平台等都面临着严重的腐蚀问题,涂料涂装和金属涂覆是常用的防护方法。海洋防腐用金属涂层主要采用Al及Al合金涂层,Al涂层作为一种阳极性涂层,不仅具有类似有机涂层物理隔离腐蚀介质与基体反应的作用,而且还是一种牺牲阳极材料,具有阴极保护作用；Al-Zn涂层不仅具有Zn的电化学活性,而且具有Al的钝化膜保护作用,兼具Zn-Al二者的优异防腐性能。常用的涂层制备方法有电镀、热浸镀、电沉积、热喷涂等技术,其中以热喷涂方法最为常用,冷气动力学喷涂技术是近年来发展起来的新型表面工程技术,在制备海洋防腐涂层领域具有广阔的应用前景。本文分别利用冷喷涂和电弧喷涂技术制备了纯Al涂层和Al-Zn涂层,运用现代表征分析方法和电化学测试手段,对比研究了两种技术制备的涂层的组织特征以及在海洋环境中的腐蚀行为,分析了冷喷涂Al涂层与电弧喷涂A1涂层耐腐蚀性能的优劣,提出了涂层在海洋环境中的“原位孔蚀”机理模型,探讨了冷喷涂Al-Zn涂层的成分对其耐腐蚀性能的影响,为冷喷涂涂层海洋防腐技术提供了数据参考。利用优化的工艺参数,分别制备了冷喷涂Al、A125-Zn、A150-Zn、A175-Zn涂层和电弧喷涂Al及Al-Zn涂层。通过SEM和XRD对各种涂层进行表征,结果表明,冷喷涂Al及Al-Zn涂层较为致密,由无数塑性变形较大的颗粒堆叠而成,表面无明显的缺陷,制备过程中无明显的氧化现象,涂层的孔隙率为2%,而电弧喷涂Al及Al-Zn涂层为典型的层状结构,表面存在较多的孔隙缺陷,孔隙率高达15%。对冷喷涂和电弧喷涂Al涂层进行海水全浸试验,结合SEM和XRD分析了涂层长周期浸泡后的腐蚀产物形貌和组分。在不同的浸泡周期,对涂层进行自腐蚀电位、动电位极化曲线、电化学交流阻抗谱测试,对比两种涂层在海洋环境中的腐蚀行为。扫描电镜和X射线衍射分析表明,冷喷涂Al涂层的腐蚀产物较为致密,成分主要为AlO（OH）,而电弧喷涂Al涂层表面由于孔隙较多,腐蚀产物较为疏松,成分主要为Al（OH）3。自腐蚀电位的变化规律表明,冷喷涂和电弧喷涂Al涂层均能为Q235基体提供阴极保护,冷喷涂Al涂层的腐蚀电位较为稳定,约为-0.85V左右,而电弧喷涂Al涂层的腐蚀电位有较大的波动。线性极化曲线测试表明,冷喷涂Al涂层的极化阻力随浸泡时间的延长逐渐增大,而电弧喷涂Al涂层的极化阻力变化变大,一直处在活性腐蚀状态。动电位极化曲线测试表明,冷喷涂Al涂层的自腐蚀电流密度逐渐减小并趋于稳定,而电弧喷涂Al涂层的自腐蚀电流密度先增加后减小,阳极极化曲线上存在明显的转折点,表现出较高的局部腐蚀倾向。电化学交流阻抗谱的研究表明,冷喷涂Al涂层和电弧喷涂Al涂层的腐蚀过程中都存在扩散传质现象,但电弧喷涂Al涂层的防腐性能下降较快。在分析交流阻抗数据时引入有限扩散阻抗元件O,拟合误差均在5%以内。利用SEM分析了冷喷涂、电弧喷涂Al-Zn涂层腐蚀后的表面形貌,并采用XRD分析了腐蚀产物组成,结果表明,两种技术制备的Al-Zn涂层的腐蚀产物主要为羟基氯化锌Zn5（OH）8Cl2·H20和ZnO,还有微量相Al（OH）3、Al2O3以及Zn（OH）2。对三种冷喷涂Al-Zn涂层进行动电位极化测试,结果表明,A125-Zn涂层一直处于活性溶解状态,而冷喷涂A150-Zn、A175-Zn涂层在浸泡后期的极化曲线上都出现了钝化区。对三种冷喷涂Al-Zn涂层进行交流阻抗研究,结果表明,随着浸泡时间的延长,Al-Zn涂层的阻抗都呈现出增大的趋势。而且涂层中Al含量越多,阻抗谱的容抗弧直径越大。浸泡过程中,涂层中的Zn充当Al的牺牲阳极,Zn发生快速腐蚀,腐蚀产物逐渐覆盖涂层,随后,局部腐蚀在涂层表面扩展。结合涂层的阴极保护效果和电化学测试结果,冷喷涂Al75-Zn涂层具有较好的腐蚀防护效果。模拟海洋大气腐蚀环境,对各种涂层进行了中性盐雾试验。结果表明,在残酷的海洋大气腐蚀环境中,冷喷涂Al及Al-Zn涂层、电弧喷涂Al及Al-Zn涂层均能为Q235基体提供保护。而电弧喷涂Al及Al-Zn涂层在长期的盐雾腐蚀后,可发生鼓泡或颗粒脱落现象。此外,冷喷涂Al及Al-Zn涂层表面完好,且有腐蚀产物的封孔作用,具有更长的防护寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 冷喷涂技术的研究现状
• 1.2.1 冷喷涂技术的发展
• 1.2.2 冷喷涂技术的原理
• 1.2.3 冷喷涂技术的特点
• 1.2.4 冷喷涂涂层的性能
• 1.3 海洋防腐热喷涂Al及Al-Zn涂层研究现状
• 1.4 海洋防腐冷喷涂Al及Al-Zn涂层研究现状
• 1.5 研究内容
• 第二章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 涂层的制备工艺
• 2.2.1 冷喷涂Al及Al-Zn涂层
• 2.2.2 电弧喷涂Al及Al-Zn涂层
• 2.3 试样处理
• 2.4 试验设备及方法
• 2.4.1 扫描电镜观察
• 2.4.2 X射线衍射分析
• 2.4.3 金相显微镜
• 2.4.4 电化学测试
• 2.4.5 中性盐雾试验
• 第三章 冷喷涂Al涂层的组织形貌
• 3.1 引言
• 3.2 冷喷涂Al涂层的表面形貌
• 3.2.1 冷喷涂Al涂层的宏观形貌
• 3.2.2 冷喷涂Al涂层的微观形貌
• 3.3 冷喷涂Al涂层的组分
• 3.4 冷喷涂Al涂层的孔隙率
• 3.5 本章小结
• 第四章 冷喷涂Al涂层的腐蚀电化学性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 冷喷涂Al涂层的腐蚀形貌分析
• 4.3 冷喷涂Al涂层在海水中的电化学行为研究
• 4.3.1 自腐蚀电位变化
• 4.3.2 线性极化行为
• 4.3.3 动电位极化行为
• 4.4 冷喷涂Al涂层的电化学交流阻抗谱研究
• 4.4.1 冷喷涂Al涂层电化学交流阻抗谱的特征
• 4.4.2 电弧喷涂Al涂层电化学交流阻抗谱的特征
• 4.4.3 Al涂层的阻抗模型和等效电路
• 4.5 本章小结
• 第五章 冷喷涂Al-Zn涂层的电化学腐蚀行为研究
• 5.1 引言
• 5.2 冷喷涂Al-Zn涂层的组织结构
• 5.3 电弧喷涂Al-Zn涂层的组织结构
• 5.4 Al-Zn涂层腐蚀后的形貌和组分分析
• 5.4.1 Al-Zn涂层的腐蚀产物形貌
• 5.4.2 Al-Zn涂层的腐蚀产物组成
• 5.5 Al-Zn涂层的腐蚀电化学性能
• 5.5.1 冷喷涂Al-Zn涂层的自腐蚀电位
• 5.5.2 冷喷涂Al-Zn涂层的动电位极化行为
• 5.5.3 冷喷涂Al-Zn涂层的电化学交流阻抗谱研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 冷喷涂Al及Al-Zn涂层在海洋大气环境中的耐腐蚀性能
• 6.1 引言
• 6.2 中性盐雾加速试验
• 6.3 各涂层在盐雾中的腐蚀速率
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 硕士期间发表论文
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情祝表