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。
 

 

　　(2)防腐與耐磨雙重功能的鋁基非晶納米晶復合涂層的研制
 

　　鋁基非晶態合金材料是當今國際材料領域的研究熱點之一。非晶材料不存在結晶金屬存在的晶界、缺陷、偏析和析出物等，表現出各向同性，具有優異的耐腐蝕性能。但是，鋁基非晶態合金玻璃形成能力較差，過冷液相區寬度僅有10K左右，急冷條件限制比較苛刻（冷卻速度須大于105K/s），且只能獲得粉狀、絲狀、薄帶、毫米棒等形式產品，限制了該類合金性能潛力的發揮及其推廣應用。
 

　　高速電弧噴涂技術不僅可以快速升溫熔化材料，同時具有快速冷卻凝固材料的特征，冷卻速度極高（105-107K/s），具備了形成非晶納米晶復合涂層的必要條件。而且該技術具有優質、高效、低成本的優勢，還可以大面積獲得具有優質防腐性能的非晶納米晶復合涂層，對于該類材料在海洋工程領域的推廣應用非常有利。通過大量調研，利用粉芯絲材制備技術，通過合金成分的合理設計和優化，筆者科研團隊在國際上率先采用高速電弧噴涂技術獲得了鋁基非晶納米晶復合涂層，拓寬了該類材料的制備方法和應用范圍，并在國際期刊上發表了第一篇該領域的英文學術論文。
 

　　獲得的Al基非晶納米晶復合涂層由非晶、納米晶相和晶化相共同組成（如圖5所示），具有硬度高（與45鋼相近，顯微硬度值在HV0.1=300-400之間，見圖6所示）、防腐性能優異（比傳統Al涂層提高了3倍以上，見圖7所示）和耐磨損性能良好的特點。最為重要的是，該涂層在腐蝕與磨損交互作用環境下的相對耐磨性比傳統防腐材料（Al涂層）提高了1個數量級。不僅解決了傳統Al、Zn基防腐涂層材料不耐磨損的技術“瓶頸”，更為在腐蝕與磨損交互作用下的惡劣工況環境中服役的工程設施提供了防護保障。
 

 

　　揭示了鋁基非晶納米晶復合涂層微觀結構對其防腐、耐磨性能的影響機制。指出涂層中存在非晶具有優異的防腐、耐磨性能的；彌散分布于非晶中的納米晶相起到了性能強化作用，使整體涂層具有較高的硬度和良好的耐磨損性能；在腐蝕介質中，納米晶粒具有較大的比表面能，可促進鈍化膜的生成，有利于提高涂層的耐腐蝕性能。非晶與納米晶相的結合，使得該系列涂層同時具備防腐與耐磨功能。
 

　　考察了微量元素對鋁基非晶納米晶復合涂層顯微結構的影響作用。發現了適量Co元素的加入促進了Al13Co4納米晶相的形成，促使納米晶粒增多，同時提高了α-Al、AlNi和Al13Co4納米晶在AlNi非晶母相中的彌散程度，導致涂層的硬度和結合強度有所提升；獲得了Co元素的加入使涂層玻璃轉變溫度有所上升和楊氏模量略有提高的作用規律，側向佐證了涂層玻璃轉變溫度與楊氏模量成正比。
 

　　以上ZnAl基、Al基防護涂層滿足不同腐蝕環境下的工況要求，可以為海洋工程設施提供優質可靠的材料保障。自動化高速電弧噴涂技術可實現大面積智能、高效、穩定操作的工業化應用特征，將在未來的海洋工程設施表面防護領域發揮巨大的作用。這些新型的獨具特色的防腐功能涂層材料，也將隨著人類對海洋資源開發利用的需求日漸迫切而服務于更廣闊的海洋工況環境里。

責任編輯：劉娟

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