本文圍繞富饒海洋資源開發與利用對于海洋工程設施防腐技術長效增壽的迫切需求，介紹了集成創新研發的具有高效、穩定和智能特色的自動化高速電弧噴涂系統，以及開發的針對服役于不同海洋環境下各具特色的設施表面長效防腐涂層材料，并展望了自動化高速電弧噴涂防腐涂層制備技術在海洋工程領域的防護應用前景。

 

　　文| 梁秀兵 張志彬 魏世丞 裝甲兵工程學院機械產品再制造國家工程研究中心

 

　　隨著能源危機問題的日趨突出，富饒海洋資源的開發和利用越來越被人們重視。開發海洋資源的能力不僅反映出一個國家海洋科技創新及其推廣應用的水平，更能體現出這個國家在海洋領域的競技潛能和綜合國力。目前，我國在海洋領域的探索和發展處于持續升溫狀態，越來越多的海洋工程設施投入應用，如海洋平臺、油氣管線、岸壁設施、大型船舶等。但是這些海洋工程設施的發展仍然面臨著諸多問題，腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損等情況嚴重延緩了我們在海洋資源開發利用領域的前進步伐。據資料顯示，海洋工程材料因腐蝕等問題每年造成了近萬億元的經濟損失。因此，海洋腐蝕失效機理的研究與工程設施防腐技術的提升已成為我國海洋工程領域里亟待解決的問題。

 

　　近年來的研究與應用結果表明，采用熱噴涂合金防腐涂層是海洋環境下鋼結構腐蝕防護的有效方法之一。這種技術是利用各種熱能將防腐金屬材料熔化，并通過高速氣流使其霧化噴射到零件表面上，形成防護涂層的一種表面加工方法。但是，傳統的電弧噴涂防腐技術通常是由人工來操作的，導致其控制精度較低、產生的涂層質量不穩定，而且它的作業環境較為惡劣，這些情況嚴重制約了該技術在海洋防腐工程領域更廣泛的應用和發展。針對這些問題，筆者科研團隊將智能控制技術、逆變電源技術、紅外測溫技術、數值仿真技術綜合集成創新研制了新型自動化高速電弧噴涂設備，將傳統“粗放型”電弧噴涂技術提升為噴涂工藝與涂層質量精確可控的先進高效維修技術。

 

　　自動化智能高速電弧噴涂系統實現了操作系統與噴涂設備的一體化聯動控制，具有自動化程度高、穩定可靠的特點，在海洋工程材料表面大面積防腐等領域效果顯著。該系統中的高速電弧噴涂槍實現了超音速氣流霧化，最大氣流速度達586m/s,鐵基噴涂材料的最大粒子飛行速度由傳統噴涂的100m/s 以下提高到150m/s 以上，涂層的結合強度可達20-40MPa,孔隙率顯著降低， 涂層質量得到大幅提升。系統中具有自主知識產權的高穩定性的脈寬調制型數字式電弧噴涂逆變電源，實現了在噴涂過程中噴涂參量與送絲速度之間的智能化自反饋和自調節。與傳統電弧噴涂采用的硅整流電源相比，逆變式噴涂電源體積和重量分別減小50% 和75%,質量更加可靠，便于現場維修作業。利用研發的電弧噴涂智能模糊控制單元，結合紅外熱像儀對噴涂溫度場的監控， 實現了電弧噴涂工藝參數的在線智能閉環反饋控制，進而實現涂層殘余應力的優化控制。設備單元采用模塊化設計，環境適應性強， 涂層質量精確可控，使電弧噴涂升級為噴涂工藝與涂層質量可精確控制的先進維修技術，噴涂效率為手工的3 倍以上，大大減輕了操作強度，為海洋工程設施表面防腐提供了技術支撐。
 

 

　　高速電弧噴涂技術不僅保持了經濟性、適用性強等特點，而且使噴涂層獲得了更加優異的性能，可有效延長海洋工程設施的使用壽命，特別是在大型鋼結構的防腐工程方面將發揮重要作用， 是一項易于推廣、適合我國國情的高新技術。在此基礎上，筆者科研團隊根據材料制備與成形一體化先進技術的設計思想，結合我國國情創造性地提出將粉芯絲材和高速電弧噴涂技術相結合， 研發了具有“自封閉”效應的Zn-Al-Mg-RE 涂層和新型兼具防腐與耐磨雙重功能的Al 基非晶納米晶復合涂層，為海洋工程設施表面防腐提供了更為優質的材料支撐和技術保障。

 

　　（1） 具有“自封閉”效應的Zn-Al-Mg-RE 涂層的研究

 

　　采用熱噴涂Zn、Al 及其合金涂層對鋼鐵結構件進行長效防腐， 國外早在20 世紀20 年代就已開始應用，至今仍是普遍采用的腐蝕防護措施。國內外防腐實踐表明，Zn-Al 合金防腐涂層的防腐性能要好于Zn、Al 涂層，并逐漸替代了Zn 涂層和Al 涂層，成為海洋氣候環境下鋼結構腐蝕防護的首選材料。但這些材料對“點蝕” 等常見腐蝕形式的防護效果較差，容易導致材料腐蝕穿孔、鼓泡失效，影響裝備的使用壽命。

 

　　調研發現，在Zn-Al 合金涂層中添加少量的Mg 和RE 能進一步提高涂層的耐蝕性能。Mg 的作用是形成尖晶石氧化膜改善涂層中Al 的陰極保護作用，出現“自封閉”現象大大提高了其在鹽霧腐蝕環境下的耐“點蝕”性能；RE 元素能細化涂層微觀結構，減少噴涂層的孔隙率，并對涂層具有一定的強化作用。但由于受到實心材料拉拔工藝的限制，無法獲得高Al（含量大于15% 時）、Mg 含量的噴涂絲材。針對海洋環境下工程設施的長效防腐問題， 創造性地采用粉芯絲材制備技術（如圖2 所示），解決了上述技術“瓶頸”,填補了我國在該研究領域的空白。
 

 

　　鹽霧試驗結果表明Zn-Al-Mg-RE 高速電弧噴涂層具有最好的耐蝕性能，耐蝕壽命為Zn 和Al 涂層的4 倍以上。經過進一步電化學試驗手段分析認為：在腐蝕環境中，Al 涂層容易發生點蝕， 腐蝕產物無自封閉作用；Zn 涂層的腐蝕產物易溶于水，表現出微弱的自封閉效果；Zn-15Al 涂層的腐蝕產物對涂層中的孔隙能產生一定的自封閉作用，但不徹底；加入Mg 后的Zn-Al-Mg 涂層在腐蝕后形成較致密的腐蝕產物，自封閉效果較為明顯，但不穩定； 加入RE 元素后，改善了涂層組織的均勻性，降低了涂層的孔隙率， 提高了腐蝕產物層的穩定性，其自封閉作用明顯，從而進一步提高涂層的耐蝕性能，Zn-Al-Mg-RE 涂層在腐蝕過程中表現出明顯且穩定的自封閉現象。

 

　　提出了Zn-Al-Mg-RE 涂層的“自封閉”機理。該涂層在腐蝕動態過程中形成了納米腐蝕產物，隨著腐蝕反應的進行，生成了一系列Zn 的堿式鹽類、Mg 的氫氧化物及Mg 與Al 形成的尖晶石氧化物的水合物等腐蝕產物（如圖3 所示），這些腐蝕產物不但能夠在涂層表面形成鈍化膜，還能夠有效地堵塞涂層中的孔隙， 切斷腐蝕介質的快速通道，從而提高涂層的耐蝕性。該涂層耐蝕性能為傳統Al 涂層的2-3 倍，有效解決了“點蝕”難題，可使海洋工程設施的防護壽命由原來的3-5 年提高到10-15 年以上，并成功應用到了大型水壩閘門、海洋氣象浮標、民用船舶甲板等鋼結構件上（應用實例見圖4 所示），防護效果顯著。