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，制作保護性覆蓋層的技術有電鍍、化學鍍和熱噴涂等。電鍍液易對周圍的環境造成污染；化學鍍對鍍液的選擇性較高，不能廣泛應用；熱噴涂是應用較廣泛的技術，但其需要嚴格的表面前處理，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是新近發展起來的一種金屬表面覆蓋層技術，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， 具有成分可調范圍大，不需要嚴格前處理，涂層致密均勻無孔隙，與基體呈冶金結合等優點。等離子束表面冶金涂層已大量成功應用于高耐磨和耐沖擊場合， 但其腐蝕電化學行為研究還沒有先例。

    對于涂層電化學行為的研究， 通常采用極化曲線法和交流阻抗法兩種方法， 將兩種試驗結果結合在一起分析。極化曲線法是一種強制腐蝕，人為地將電流加在涂層上使其達到腐蝕電位。而交流阻抗作為一種暫態的電化學技術， 研究的是電化學體系在小幅度交流訊號擾動下頻率相應特征， 是研究電極過程動力學及其表面現象的重要手段。鑒于此，本文通過極化曲線和交流阻抗相結合的方法， 研究了等離子束表面冶金涂層的耐蝕性， 從電化學角度評價涂層的保護性能。

    1 實驗材料與方法

    試樣基體材料采用準5mm 的Q235 碳鋼， 并加工成長80mm 的棒料。在試樣表面進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械混合而成的Fe 基粉末， 粉末粒度范圍60~180μm，粉末成分為（質量分數，%）：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10mm 的圓柱狀試樣， 在實驗中與等離子束表面冶金試樣做對比分析。

    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電子有限公司生產的LK2005 型電化學工作站， 對兩個試樣進行電化學測試。采用三電極體系，將試樣作為工作電極，鉑片作為對比電極，飽和甘汞電極作為參比電極，電解質溶液用天然海水。將研究電極放入海水中，穩定1 h后進行極化曲線和電化學阻抗譜（EIS）測定。極化曲線測量掃描電位范圍選擇相對于開路電位±500mV，掃描速度為20mV/s。EIS 測定頻率范圍0.01～105Hz，交流激勵信號幅值10mV。

    2 結果與分析

    2.1 極化曲線

    在室溫條件下，試樣在海水中穩定1 h，動電位測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，結果疊加后如圖1 所示。曲線的解析結果列于表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蝕電位。

    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電位極化曲線的陽極極化區域都存在鈍化區， 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較寬，在高于自腐蝕電位約100mV 處進入鈍化區， 在圖中曲線上出現拐點，其后腐蝕電流增加更加緩慢，說明此時的試樣表面形成的鈍化膜能阻止海水的進一步腐蝕。

    在高于自腐蝕電位約670mV 處鈍化膜被擊穿，表面蝕孔擴大拓展，以至于腐蝕電流快速增加，試樣的動電位極化曲線的鈍化電位區間達到570mV。而1Cr18Ni9Ti 不銹鋼試樣也是在高于自腐蝕電位約100mV 時進入鈍化區，沒有明顯拐點，在-227mV時被擊穿，鈍化區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 為金屬的摩爾質量；n 為金屬的原子價；F 為法拉第常數。

    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。

    動電位極化曲線及分析結果表明， 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 電化學阻抗譜

    圖2 為等離子束表面冶金涂層和不銹鋼在開路電位下進行的電化學阻抗實驗得到的Nyquist 圖。可看出， 兩種試樣電化學阻抗均表現為單一的容抗弧，對應的等效電路如圖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 為阻抗測量系統的擬合程序對阻抗實驗數據進行擬合的各元件參數值。由交流阻抗實驗結果可看出，與不銹鋼的阻抗值比，等離子束表面冶金涂層表現出明顯高的阻抗值， 表明其對基底起到了很好的保護作用，具有優良的耐蝕性能。這與動電位極化曲線的測量結果相吻合。

    交流阻抗法測的是一段時間的腐蝕過程， 所以不能單純地憑電阻來評價涂層的優劣，而極化曲線實驗結果已經表明， 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。結合極化曲線與交流阻抗結果來看，等離子束表面冶金涂層在海水中比1Cr18Ni9Ti 不銹鋼具有更優良的耐蝕性。

    3 結論

    （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出明顯高的阻抗值， 表明其對基體起到了很好的保護作用，具有優良的耐蝕性。

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責任編輯：楊揚

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