鋁合金大氣腐蝕監(jiān)測(cè)及涂層體系腐蝕失效檢測(cè)技術(shù)研究

趙大剛

（寧夏產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所 寧夏 銀川 750001）

0 引言

腐蝕科學(xué)作為一門應(yīng)用科學(xué)，與其它基礎(chǔ)學(xué)科有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系，基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展必然會(huì)對(duì)腐蝕學(xué)科的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展與提高，促進(jìn)腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域的研究方法與控制手段不斷更新?lián)Q代，顯示出強(qiáng)大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α＝陙?lái)，應(yīng)用數(shù)學(xué)取得了許多重要的成就，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和分形理論及技術(shù)引人注目，科學(xué)家將它們引入研究領(lǐng)域，取得了很多有意義的成果，如腐蝕預(yù)測(cè)、電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)分析等。現(xiàn)代數(shù)學(xué)理論和方法的發(fā)展為腐蝕學(xué)科的定量化和模型化提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)和方法上的支持。應(yīng)用其它相關(guān)學(xué)科的成熟理論并吸收一些新興學(xué)科的最新研究成果，提高本學(xué)科的定量化和模型化研究水平，是每一門交叉學(xué)科的必然趨勢(shì)，也是腐蝕科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 鋁合金大氣腐蝕監(jiān)測(cè)

1.1 鋁合金大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)

在鋁合金大氣腐蝕研究中，比較常用的方法是通過(guò)大氣環(huán)境暴露試驗(yàn)或室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，測(cè)定鋁合金重量的變化，配合以表面腐蝕形貌觀察和腐蝕產(chǎn)物分析。在分析技術(shù)上主要借助于一些物理手段，如X-射線衍射分析（XRD）、掃描電鏡（SEM）、電子探針?lè)ǎ‥PMA）、X-射線光電子能譜法（XPS）等。

1.2 鋁合金大氣腐蝕電化學(xué)監(jiān)檢測(cè)技術(shù)

除在干燥的大氣環(huán)境中發(fā)生表面氧化、硫化造成失去光澤和變色等是屬于化學(xué)腐蝕外，在大多數(shù)情況下大氣腐蝕屬于薄液膜下的電化學(xué)腐蝕。當(dāng)達(dá)到一定的臨界濕度后，暴露于大氣中的金屬表面便會(huì)形成“看不見的”電解質(zhì)薄液膜。就完全未受污染的大氣來(lái)說(shuō)，在恒溫條件下，一個(gè)完全干凈的金屬表面在相對(duì)濕度低于100%時(shí)應(yīng)該不會(huì)受到腐蝕破壞。然而實(shí)際上因表面存在吸水性物質(zhì)、大氣中含有雜質(zhì)以及在大氣和金屬表面之間存在小的溫度梯度，在較低的相對(duì)濕度下往往會(huì)形成細(xì)微的表面電解質(zhì)溶液。由于大氣腐蝕涉及三相，液膜多變不確定，因此很難設(shè)計(jì)完善的研究體系，電化學(xué)測(cè)試相當(dāng)困難。相關(guān)的監(jiān)檢測(cè)裝置直至20世紀(jì)90年代才開始應(yīng)用，其中具有代表性的是開爾文（Kelvin）探針技術(shù)和大氣腐蝕監(jiān)測(cè)儀（ACM）。

（1）大氣腐蝕監(jiān)測(cè)電池ACM

大氣腐蝕監(jiān)測(cè)電池 （Atmospheric Corrosion Monitor(ACM)）的概念是Mansfeld于1976年首次提出的，其原理是根據(jù)薄液膜下異種金屬之間形成的電偶電流來(lái)反映大氣環(huán)境腐蝕性強(qiáng)弱，測(cè)定金屬表面在大氣環(huán)境中的潤(rùn)濕時(shí)間。Shinohara Tadashi用ACM型腐蝕傳感器評(píng)估了大氣環(huán)境中的腐蝕，用Fe和Ag兩種金屬制成ACM進(jìn)行了長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，并配合失重法，積累了大量的數(shù)據(jù)。大氣腐蝕速度與濕度存在近似指數(shù)關(guān)系，相對(duì)濕度是決定大氣腐蝕速率的最重要的因素。金屬在超過(guò)臨界相對(duì)濕度后，腐蝕速率急劇增加，大氣濕度越大，金屬腐蝕隨濕度的變化敏感性越大。

（2）Kelvin 探針技術(shù)

Kelvin探針技術(shù)主要是利用振動(dòng)電容法測(cè)量?jī)山饘匍g表面電位差，探頭的主要部分是設(shè)置在待測(cè)電極上方并可上下移動(dòng)的一塊惰性金屬，如Au、Pt。金屬探頭的振動(dòng)改變了它與待測(cè)電極間的距離及極間電容值，因而在回路中感生出一交變充放電電流。在該回路中串聯(lián)-可調(diào)外電源，調(diào)節(jié)電壓使交變電流值為零。此時(shí)，待測(cè)電極電位與外加電壓之間成線性關(guān)系，標(biāo)定后可測(cè)得其數(shù)值。

Kelvin探針不與試樣和電解質(zhì)接觸即可進(jìn)行電化學(xué)研究；對(duì)于局部腐蝕有較高的靈敏度和分辨率，若擴(kuò)展到二維腐蝕分布測(cè)量，可為研究大氣中的局部腐蝕及膜下腐蝕提供有用信息；該技術(shù)是一種研究薄層液膜下電化學(xué)過(guò)程的有效方法，所得結(jié)論可按常規(guī)電化學(xué)方法解釋。

2 涂層體系腐蝕失效檢測(cè)

2.1 有機(jī)涂層體系腐蝕破壞特征

有機(jī)涂層廣泛應(yīng)用于金屬的腐蝕防護(hù)工程，其防腐蝕性能的優(yōu)劣，通常取決于涂層與金屬基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度和涂層對(duì)水及其它侵蝕性粒子的抗?jié)B透能力。研究表明，基體金屬的性質(zhì)、涂層的組成和結(jié)構(gòu)、溫度等諸多因素對(duì)有機(jī)涂層的使用壽命均具有重要影響。

一般而言，有機(jī)涂層的防護(hù)機(jī)理主要有以下三種：

（1）涂層作為阻擋層減緩侵蝕性粒子向涂層/金屬界面的擴(kuò)散。雖然對(duì)于水、氧氣來(lái)說(shuō)，涂層是可滲透的；但有機(jī)涂層一般均具有很高的電解質(zhì)阻擋性，可以阻抑陰極和陽(yáng)極區(qū)域之間的離子運(yùn)動(dòng)。

（2）涂層中的緩蝕型顏料可以在侵蝕性粒子到達(dá)涂層/金屬界面時(shí)起到抑制基體腐蝕的作用。

（3）涂層和金屬之間一般均具有很好的粘結(jié)性，可以防止腐蝕剝離的發(fā)生。有機(jī)涂層在海水中的腐蝕破壞有兩種原因：一是由于涂層/金屬界面的腐蝕而造成涂層的破損及其相應(yīng)的外觀變化；二是涂層自身受到化學(xué)或物理作用而引起的結(jié)構(gòu)變化。由金屬界面產(chǎn)生的腐蝕引起涂層外觀變化主要形式有起泡、生銹、脫落。由涂層自身化學(xué)的、物理的變化，引起的破壞形式有粉化、變色、起泡、龜裂等。

在海水飛濺帶，由于干濕交替作用，陽(yáng)光紫外線暴曬使有機(jī)涂層產(chǎn)生粉化、變色等破壞形式，在全浸區(qū)和潮差區(qū)的水下部分，有機(jī)涂層的主要破壞形式為起泡、生銹、脫落。在海水環(huán)境中有機(jī)涂層起泡是最為普通的早期破壞現(xiàn)象。起泡通常是涂膜局部喪失防腐蝕能力的最早外觀表征。

2.2 涂層體系腐蝕失效的電化學(xué)檢測(cè)

涂層下金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，有機(jī)涂層在金屬的防護(hù)失效過(guò)程中，總伴隨著一系列的電化學(xué)變化，通過(guò)檢測(cè)電化學(xué)變化信號(hào)，可以實(shí)時(shí)獲得金屬腐蝕與涂層防護(hù)性能變化的動(dòng)態(tài)信息，應(yīng)用電化學(xué)理論對(duì)給出的信息進(jìn)行分析處理，可以對(duì)涂層下金屬腐蝕的動(dòng)力學(xué)規(guī)律與涂層的防護(hù)機(jī)理進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)涂層耐蝕性的定量與半定量評(píng)價(jià)。電化學(xué)方法很多，如直流電化學(xué)法、電化學(xué)阻抗譜、電化學(xué)噪聲法等。

EIS是對(duì)研究體系（介質(zhì)/涂膜/金屬）施加一小振幅正弦交變信號(hào)擾動(dòng)，采集體系的響應(yīng)信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)的阻抗或?qū)Ъ{譜，然后根據(jù)數(shù)學(xué)模型或等效電路模型對(duì)阻抗譜或?qū)Ъ{譜進(jìn)行解析擬合，以獲得體系電化學(xué)信息的一種方法。EIS法施加的擾動(dòng)信號(hào)很小，對(duì)被測(cè)樣品的性質(zhì)影響很小，故認(rèn)為EIS可以無(wú)損研究涂層，并能快速得到試驗(yàn)結(jié)果。由于EIS法具有上述優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為研究有機(jī)涂層防腐蝕機(jī)理與性能最主要的方法之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

在腐蝕科學(xué)領(lǐng)域中，表征金屬材料的腐蝕特性除了腐蝕數(shù)據(jù)外，還有許多圖和照片，如金屬材料在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕圖、材料腐蝕形態(tài)照片、工廠設(shè)備腐蝕破壞案例照片等，這些也都是極其寶貴的資料。特別是金屬試樣的腐蝕形貌圖，它真實(shí)再現(xiàn)了金屬材料在特定介質(zhì)中的腐蝕特征。

［1］盧綺敏.石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［2］王光雍，王海江，李興濂，等.自然環(huán)境的腐蝕與防護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1997.

［3］高耕宇，黃春曉，孫成.酸雨對(duì)大氣腐蝕臨界相對(duì)濕度的影響[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，1990，10（2）：183－186.