金屬熱噴涂涂層耐蝕性評價方法及應(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、建筑物進行長效腐蝕防護的技術(shù)得到了普遍認可和持續(xù)發(fā)展，對其耐久性的測試評價技術(shù)也一直在不斷地改進、完善與創(chuàng)新中。由于各類陽極金屬熱噴涂涂層防護性能的評價結(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方法
    2.1鹽霧試驗
    單層陽極金屬熱噴涂涂層耐久性的實驗室試驗方法主要有耐氣、霧試驗（如耐中性鹽霧試驗、耐SO2氣氛試驗）、耐介質(zhì)浸漬試驗（如耐酸雨試驗、耐堿液試驗、模擬海水全浸試驗）以及環(huán)境循環(huán)試驗（如鹽霧-老化循環(huán)試驗、各類介質(zhì)間交替試驗）等[1]；當對陽極金屬熱噴涂復合涂層進行試驗時，主要通過涂層破壞性方法進行上述耐久性試驗，測評復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則在實海環(huán)境下進行，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、金屬熱噴涂復合涂層有較好的耐蝕性且設(shè)計使用壽命在30～50年，其耐久性測試一般需要進行很長時間，如果按鋼結(jié)構(gòu)中性鹽霧加速試驗200h代表鋼結(jié)構(gòu)使用1年的觀點，鹽霧試驗1次就需要5000h以上，目前有進行16000h鹽霧試驗的報道[2]；實海試驗則以美國焊接學會熱噴涂委員會進行的19年的現(xiàn)場掛片試驗為代表[3]。
    為提高加速效果并保證與現(xiàn)場暴露試驗的相符性，美國材料與試驗協(xié)會的ASTMD5894和G85標準、美國腐蝕工程師協(xié)會的NACETM0304及挪威石油標準化組織的NorsokM-501標準將“紫外線/冷凝”程序引入到常規(guī)的“鹽霧/干燥”循環(huán)中，NorsokM-501標準更加入了“冷凍/解凍”程序，研究表明[4-6]，上述試驗方法取得了極佳效果，更接近于現(xiàn)場暴露試驗結(jié)果。
    2.2電化學試驗
    電化學方法是陽極金屬熱噴涂涂層耐久性試驗最普遍也是最可靠的方法，測試方便快捷、破壞少、獲得與涂層防護性能相關(guān)的直接信息量大，同時能對金屬的腐蝕機理及涂層失效行為進行更深入的研究。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法和電化學阻抗譜法，其中直流電化學法具體有電位-時間法、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[7-10]。
    電化學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極化區(qū)，電極電勢偏離自腐蝕電勢較遠，這時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)、真實表面積和周圍介質(zhì)的顯著變化。因此要求每一次試驗使用一個新的樣品，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]，提高了試驗結(jié)果的可靠性。
    3陽極金屬熱噴涂涂層耐久性的評價
    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、趨勢及大小等進行分析對比，其涂層試樣則被認為耐蝕性較優(yōu)。目前失重法研究面臨的最大難題是如何簡捷、準確、可靠地去除試驗后金屬涂層產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物，因為金屬涂層在噴制形成過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，試驗時金屬涂層表面的氧化物及雜質(zhì)很容易脫落，清洗時也無法保證原有氧化物不被清洗掉，這些都會對試驗結(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。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的更多是金屬涂層自身的耐蝕性，并不能單獨用來準確地衡量其對金屬基材的保護性能。
    3.2涂層厚度損失法
    電化學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)過計算得出涂層的腐蝕速率，根據(jù)其大小來評價涂層的耐蝕性能。實際檢測時，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)用量少更換或補充頻率低,數(shù)據(jù)測取時機不對，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初期的腐蝕速率較快、試驗進程中涂層表面（包括粒子表面）氧化膜作用發(fā)揮不一，也會導致試驗過程中不同陽性金屬腐蝕速率變化較大，這樣當試驗周期較短時就會出現(xiàn)涂層腐蝕速率較大、較長時測量數(shù)據(jù)存在較大偏差等問題?，F(xiàn)有研究表明[13-14]，試驗介質(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，電化學測評時熱噴涂金屬涂層試樣電極的表面積更難以準確計算，這都影響了測量結(jié)果及評價。
    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理，一般不適于定量評價涂層的耐蝕優(yōu)劣。目前定量評價主要根據(jù)同一類涂層試樣不同試驗階段微觀結(jié)構(gòu)的化
    進行對比，但是這樣一來，試樣及其測量點的持續(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確性。
    綜上所述，由于陽極金屬熱噴涂涂層防護機理的多樣性以及試驗環(huán)境影響的復雜性，僅憑單一測試項目或某一階段時間內(nèi)的測試很難對其防護效果做出準確可靠的評價，需要將上述各種方法的檢測結(jié)果結(jié)合起來，進行綜合分析后才能做出較為可靠的評價。
    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)劣評價很少有異議，而對各種熱噴涂涂層耐蝕性能檢測評價的爭議激烈，主要集中在鋁涂層與鋅鋁偽合金涂層上。