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等離子束表面冶金涂層在海水中的電化學(xué)腐蝕行為研究

2017-05-26 14:14:30 作者：本網(wǎng)整理來源：王斐斐等，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院分享至：

    金屬表面采用覆蓋層，盡量避免金屬基體和海水直接接觸是金屬材料在海水中防腐蝕的主要技術(shù)，制作保護(hù)性覆蓋層的技術(shù)有電鍍、化學(xué)鍍和熱噴涂等。電鍍液易對(duì)周圍的環(huán)境造成污染；化學(xué)鍍對(duì)鍍液的選擇性較高，不能廣泛應(yīng)用；熱噴涂是應(yīng)用較廣泛的技術(shù)，但其需要嚴(yán)格的表面前處理，在潮濕的海洋大氣中施工受到一定的限制。等離子束表面冶金技術(shù)是新近發(fā)展起來的一種金屬表面覆蓋層技術(shù)，它以等離子弧為熱源，采用同步送粉方式，在鋼鐵等材料表面熔覆一層合金層，具有成分可調(diào)范圍大，不需要嚴(yán)格前處理，涂層致密均勻無孔隙，與基體呈冶金結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。等離子束表面冶金涂層已大量成功應(yīng)用于高耐磨和耐沖擊場(chǎng)合，但其腐蝕電化學(xué)行為研究還沒有先例。

    對(duì)于涂層電化學(xué)行為的研究，通常采用極化曲線法和交流阻抗法兩種方法，將兩種試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合在一起分析。極化曲線法是一種強(qiáng)制腐蝕，人為地將電流加在涂層上使其達(dá)到腐蝕電位。而交流阻抗作為一種暫態(tài)的電化學(xué)技術(shù)，研究的是電化學(xué)體系在小幅度交流訊號(hào)擾動(dòng)下頻率相應(yīng)特征，是研究電極過程動(dòng)力學(xué)及其表面現(xiàn)象的重要手段。鑒于此，本文通過極化曲線和交流阻抗相結(jié)合的方法，研究了等離子束表面冶金涂層的耐蝕性，從電化學(xué)角度評(píng)價(jià)涂層的保護(hù)性能。

    1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

    試樣基體材料采用準(zhǔn)？5mm 的Q235 碳鋼，并加工成長(zhǎng)80mm 的棒料。在試樣表面進(jìn)行等離子束表面冶金處理。等離子束表面冶金用合金粉末是按一定比例機(jī)械混合而成的Fe基粉末，粉末粒度范圍60~180μm，粉末成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：3.5C、30Cr、4.5Ni、4.6Si、0.4B，余量Fe；冶金層厚度為5mm。將耐海水腐蝕的1Cr18Ni9Ti 不銹鋼做成準(zhǔn)？10mm 的圓柱狀試樣，在實(shí)驗(yàn)中與等離子束表面冶金試樣做對(duì)比分析。

    將各試樣尾部焊接銅絲，將帶銅絲的兩根試樣分別放入玻璃管中，然后用環(huán)氧樹脂加固化劑涂封，放置室溫下冷卻，待完全凝固后，用1000＃金相砂紙打磨處理表面冶金層表面，露出1cm2 的工作面，然后用丙酮、酒精清洗。采用天津蘭力科化學(xué)電子有限公司生產(chǎn)的LK2005 型電化學(xué)工作站，對(duì)兩個(gè)試樣進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。采用三電極體系，將試樣作為工作電極，鉑片作為對(duì)比電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解質(zhì)溶液用天然海水。將研究電極放入海水中，穩(wěn)定1 h后進(jìn)行極化曲線和電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)定。極化曲線測(cè)量掃描電位范圍選擇相對(duì)于開路電位±500mV，掃描速度為20mV/s。EIS 測(cè)定頻率范圍0.01～105Hz，交流激勵(lì)信號(hào)幅值10mV。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 極化曲線

    在室溫條件下，試樣在海水中穩(wěn)定1 h，動(dòng)電位測(cè)得的等離子束表面冶金試樣和1Cr18Ni9Ti 不銹鋼試樣的陰極、陽極極化曲線，結(jié)果疊加后如圖1 所示。曲線的解析結(jié)果列于表1，其中，Ecorr表示腐蝕電位，icorr和Eb分別表示腐蝕電流密度和點(diǎn)蝕電位。

圖1表1.jpg

    從圖1 和表1 可看出，等離子束表面冶金試樣和不銹鋼試樣的動(dòng)電位極化曲線的陽極極化區(qū)域都存在鈍化區(qū)，說明試樣在陽極極化過程中表面能形成阻止腐蝕的鈍化膜。因而隨著電位的提高，腐蝕電流增加緩慢。表面冶金試樣的鈍化區(qū)較寬，在高于自腐蝕電位約100mV 處進(jìn)入鈍化區(qū)，在圖中曲線上出現(xiàn)拐點(diǎn)，其后腐蝕電流增加更加緩慢，說明此時(shí)的試樣表面形成的鈍化膜能阻止海水的進(jìn)一步腐蝕。在高于自腐蝕電位約670mV 處鈍化膜被擊穿，表面蝕孔擴(kuò)大拓展，以至于腐蝕電流快速增加，試樣的動(dòng)電位極化曲線的鈍化電位區(qū)間達(dá)到570mV。而1Cr18Ni9Ti 不銹鋼試樣也是在高于自腐蝕電位約100mV 時(shí)進(jìn)入鈍化區(qū)，沒有明顯拐點(diǎn)，在-227mV時(shí)被擊穿，鈍化區(qū)域較表面冶金試樣較小。腐蝕電流密度與金屬腐蝕速度存在以下關(guān)系：

    式中：v 為腐蝕速度；Icorr為腐蝕電流密度；M 為金屬的摩爾質(zhì)量；n 為金屬的原子價(jià)；F 為法拉第常數(shù)。由上式可知，金屬腐蝕速度與腐蝕電流密度成正比，即腐蝕電流密度小，材料的腐蝕速度就較慢。由表1可看出，等離子束表面冶金試樣的腐蝕電流（0.97μA/cm2）較不銹鋼（36.9 μA/cm2）的小，這表明等離子束表面冶金涂層在海水中比1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的腐蝕速度慢的多。

    動(dòng)電位極化曲線及分析結(jié)果表明，等離子束表面冶金試樣比不銹鋼試樣有較高的腐蝕電位和較小的腐蝕電流，在海水中有更好的耐腐蝕性。

    2.2 電化學(xué)阻抗譜

圖2.jpg

圖3.jpg

圖2 為等離子束表面冶金涂層和不銹鋼在開路電位下進(jìn)行的電化學(xué)阻抗實(shí)驗(yàn)得到的Nyquist 圖。可看出，兩種試樣電化學(xué)阻抗均表現(xiàn)為單一的容抗弧，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3 所示，圖3 中Rs代表溶液電阻，Cdl代表雙電層電容，Rct代表膜表面電阻。

表2.jpg

    表2 為阻抗測(cè)量系統(tǒng)的擬合程序?qū)ψ杩箤?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的各元件參數(shù)值。由交流阻抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，與不銹鋼的阻抗值比，等離子束表面冶金涂層表現(xiàn)出明顯高的阻抗值，表明其對(duì)基底起到了很好的保護(hù)作用，具有優(yōu)良的耐蝕性能。這與動(dòng)電位極化曲線的測(cè)量結(jié)果相吻合。

    交流阻抗法測(cè)的是一段時(shí)間的腐蝕過程，所以不能單純地憑電阻來評(píng)價(jià)涂層的優(yōu)劣，而極化曲線實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)表明，等離子束表面冶金涂層比不銹鋼具有更高的腐蝕電位和更小的自腐蝕電流密度。結(jié)合極化曲線與交流阻抗結(jié)果來看，等離子束表面冶金涂層在海水中比1Cr18Ni9Ti 不銹鋼具有更優(yōu)良的耐蝕性。

    ３結(jié)　論

    （1）等離子束表面冶金試樣在海水中的腐蝕電位比1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的較高，腐蝕電流比不銹鋼的小，說明前者在海水中更耐腐蝕。

    （2）等離子束表面冶金涂層在海水中有鈍化膜生成，與1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的阻抗值比，等離子束表面冶金涂層表現(xiàn)出明顯高的阻抗值，表明其對(duì)基體起到了很好的保護(hù)作用，具有優(yōu)良的耐蝕性。

    資料來源：（王斐斐等，國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院）