熱噴涂制備ZnAl涂層防腐性能研究

嚴 彪, 張 晴, 嚴鵬飛, 趙冠楠

(同濟大學 材料科學與工程學院, 上海市金屬重點實驗室, 上海 201804)

熱噴涂制備ZnAl涂層防腐性能研究

嚴 彪, 張 晴, 嚴鵬飛, 趙冠楠

(同濟大學 材料科學與工程學院, 上海市金屬重點實驗室, 上海201804)

以鋅粉和鋁粉為原料,采用熱噴涂工藝在A3鋼板上制備TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3和TJPTZA4涂層.研究了不同涂層以及純鋅、純鋁抵抗海水的腐蝕能力.采用鹽霧分析法分析不同涂層的耐腐蝕程度,采用高倍顯微鏡觀察不同腐蝕時間的薄膜表面形貌.結果表明:TJPTZA2、TJPTZA3的耐腐蝕性好于Al和Zn,認為是鋅鋁合金熱噴涂層中的鋅鋁原子相互作用減緩了氯離子等物質的腐蝕.

鋅鋁合金; 涂層; 熱噴涂; 防腐蝕

0 前 言

21世紀,風能作為一種更清潔、環保的能源,得到了人們諸多的關注.從最早的通過風車來抽水、磨面到今天的風力驅動風車發電機發電,人們對風能的利用有了很大的提升.風力發電裝備是一個較大型的綜合體,其穩定運行受多種因素的制約,其中由腐蝕導致的故障需要引起特別的關注.據統計,全世界每年鋼鐵年產量的30%～40%因腐蝕而失效,凈損失約10%[1].風力發電裝備長期暴露于露天環境,因此必須對腐蝕可能帶來的危害給予足夠的重視.由于腐蝕造成的經濟損失是一個驚人的數字,通過對國內5個行業的調查分析得出每年由于腐蝕造成的損失占國民經濟的5%～6%.各國腐蝕防護專家普遍認為,如果能夠正確了解腐蝕機理,有針對性地合理使用腐蝕防護技術,會降低因腐蝕造成的經濟損失達25%～30%.

針對構件的腐蝕問題,熱噴涂方法是較有效的解決方案之一.熱噴涂技術是現代材料表面工程技術的重要分支之一,它是利用某種熱源將粉末狀或絲狀噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態,然后借助熱源本身或外加的高速氣流使液滴得到一定的速度并噴射到基體材料表面,從而形成表面覆蓋涂層[2-3].熱噴涂技術能迅速、有效地改善材料表面性能,并成功應用于航空、航天、機械和電子等各領域.

1 試驗材料和方法

1.1 材料及制備

試驗采用A3鋼板作為基體材料,Zn粉、Al粉作為噴涂材料.通過基體表面處理、合金絲的熱噴涂和封閉處理等工藝最終獲得了含Al質量分數為15%～55%,含Zn質量分數為85%～45%的TJPTZA1～TJPTZA4等防腐涂層.

基體材料:A3鋼板,基體試樣尺寸為60 mm×40 mm×3 mm.

基體材料的制備:采用噴砂工藝對A3鋼板進行表面預處理(經噴砂處理后的A3鋼基體應立即進行熱噴涂).所用砂子為干燥、無泥土的石英砂或銅礦砂,粒度為6～12目.噴砂時,乙炔壓力為1×105Pa,氧氣壓力為5×105Pa,空氣壓力為4.5×106Pa.噴嘴到工件表面的距離為15～20 cm,噴射角為70°左右,過大、過小均會降低噴砂效率.噴涂厚度一般在2 mm.噴砂處理后的試樣要求達到均勻、粗糙,呈金屬光澤,無銹跡、污跡和水分.

噴涂材料:Zn符合GB/T 470-2008中的Zn-1的質量要求,Zn的純度≥99.99%;Al符合GB/T 3190-2008中的L-1的質量要求,Al的純度≥99.5%;鋅鋁合金中Zn的成分為特1號,Al的成分為A00號.

噴涂材料的制備:坯料經熔煉、澆鑄、均勻化處理后,熱擠壓成線材粗坯,線材粗坯再結晶、反復再結晶,熱擠壓直至成材,退火處理.

1.2 試驗裝置

試驗裝置:分析天平,精確到小數點的后5位,測量質量;磁性涂層測厚儀,測量涂層厚度;物理天平,稱量NaCl的質量;游標卡尺,測量體積;量筒,容量1 000 mL;燒杯,容量800 mL;塑料容器,容量5 000 mL,浸漬試樣.

1.3 試驗方法

用線材火焰在剛剛經噴砂處理后的A3鋼基體上熱噴涂鋅鋁合金,分析其在海水環境下的腐蝕情況.在同等條件下噴涂純Zn、純Al,比較三者腐蝕性能的優劣.

噴涂時將氧氣壓力控制在4×105～6×105Pa,乙炔壓力控制在0.6×105～0.9×105Pa,壓縮空氣壓力控制在5×105～6×105Pa,噴射距離12～15 cm.

噴涂后的試樣不作封閉處理,直接置于NaCl水溶液中浸泡.熱噴涂試驗所用噴槍為QX-1型火焰線材噴涂槍.

試驗根據GB 9794-1988和GB/T 9796-1988所規定的中性鹽霧試驗法設計試驗.將試樣(每組3塊,共6組)豎直浸漬在塑料容器內,使用濃度為0.5 mol/L的NaCl(分析純)溶液.試樣每天充分水洗,烘干,并用分析天平測其質量.

2 結果及分析

2.1 測試方法

試驗采用失重法來衡量試樣的腐蝕程度.根據腐蝕后試樣質量的減小,計算腐蝕速度:

v失=(m0-m1)/S·t

(1)

式中:v失為腐蝕速度;m0為腐蝕前的質量;m1為清除腐蝕產物后的質量;S為試樣表面積;t為腐蝕時間.

金屬的腐蝕速度一般隨時間而變化.需選擇合適的時間以測得穩定的腐蝕速度.因為尺寸相同,每天測量一次,以式(1)、(2)標定金屬的腐蝕情況:

Δmi=m0-mi

(2)

式中:Δmi為第i天試樣腐蝕的質量變化;mi為第i天試樣的質量.

2.2 可靠性分析

對于一總體分布的未知參數,滿足

P{T1≤μ≤T2}=0.95

(3)

可利用概率論中的相應結果,設法將不等式中間的變量變為具有確定分布的隨機變量,于是可對式(3)作如下變換:

P{-T1≥-μ≥-T2}=0.95

P{X-T1≥X-μ≥X-T2}=0.95

P{(X-T1)/(0.3/40.5)≥(X-μ)/(0.3/40.5)≥

(X-T2)/(0.3/40.5)}=0.95 至此,括號中不等式的變量已經變成具有已知分布的隨機變量,這里:

(X-μ)/(0.3/40.5)=2(X-μ)/0.3-N(0,1)

它不依賴參數μ.

于是借助于標準正態分布分位點的性質有:

P{u0.025≤2(X-μ)/0.3≤u1.96}=0.95

(4)

所以,均方差<0.630 1的數值均有效.

2.3 試驗結果

圖1為表面噴涂TJPTZA試樣腐蝕后質量與浸泡時間的關系曲線.從圖1(a)中可以看出,試樣質量變化較為明顯,隨時間延長有一定的線性關系.從圖1(b)中可以看出,TJPTZA2比TJPTZA1質量變化小,說明其耐腐蝕性更好.從圖1(c)中可以看出,TJPTZA3同樣有較好的耐腐蝕性.從圖1(d)中可以看出,TJPTZA4試樣受到腐蝕質量變化的量比TJPTZA2稍多,說明其耐腐蝕性比TJPTZA2稍差.從圖1(e)中可以看出,純Al浸漬在75 h時,質量變化很大,之后質量減少不明顯.從圖1(f)中可以看出,純Zn質量明顯減少.

2.4 數據分析

針對上述試驗數據,采用式(4)的結論進行數據可靠性分析,得到了各試樣質量變化的平均值及均方差.

表1為表面噴涂TJPTZA1試樣質量變化平均值及均方差.從表1中可以看出,表面噴涂TJPTZA1試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.064 67 g,120 h后的平均質量變化為0.077 95 g.質量損失較大,說明TJPTZA1耐腐蝕性較差. 表2為TJPTZA2試樣質量變化平均值及均方差.從表2中可以看出,TJPTZA2試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.029 82 g,120 h后的平均質量變化為0.036 93 g.質量損失較小,說明TJPTZA2耐腐蝕性較TJPTZA1好.

表3為表面噴涂TJPTZA3試樣質量變化平均值及均方差.從表3可以看出,TJPTZA3試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.029 33 g,120 h后的平均質量變化為0.034 42 g.質量損失同樣很小,且比TJPTZA2更小.說明TJPTZA3耐腐蝕性更好. 表4為TJPTZA4試樣質量變化平均值及均方差.從表4中可以看出,TJPTZA4試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.0295 8 g,120 h后的平均質量變化為0.047 12 g.質量損失比TJPTZA3稍大,說明其耐腐蝕性比TJPTZA3稍差. 表5為表面噴涂純Al試樣質量變化平均值及均方差.從表5中可以看出,純Al試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.042 55 g,120 h后的平均質量變化為0.045 g.可見其在較短時間內就有著較大的質量損失量,而72 h后質量變化則很不明顯。因此,可以說純Al試樣的耐腐蝕性較差.

表6為表面噴涂純Zn試樣的質量變化平均值及均方差.從表6中可以看出,純Zn試樣浸漬72 h后的平均質量變化為0.038 85 g,120 h后的平均質量變化為0.050 97 g.耐腐性稍好于純Al試樣,但與TJPTZA2、TJPTZA3、TJPTZA4相比,仍有一定差距.

表1 表面噴涂TJPTZA1試樣質量變化平均值及均方差Tab.1 Mean and standard deviation of the quality variation of TJPTZA1 after impregnation

圖1 表面噴涂TJPTZA、Al、Zn試樣的腐蝕曲線Fig.1 Corrosion curve of the TJPTZA,Al and Zn

表2 表面噴涂TJPTZA2試樣質量變化平均值及均方差Tab.2 Mean and standard deviation of the quality variation of TJPTZA2 after impregnation

表3 表面噴涂TJPTZA3試樣質量變化平均值及均方差Tab.3 Mean and standard deviation of the quality variation of TJPTZA3 after impregnation

表4 表面噴涂TJPTZA4試樣質量變化平均值及均方差Tab.4 Mean and standard deviation of the quality variation of TJPTZA4 after impregnation

表5 表面噴涂純Al試樣質量變化平均值及均方差Tab.5 Mean and standard deviation of the quality variation of Al after impregnation

表6 表面噴涂純Zn試樣質量變化平均值及均方差Tab.6 Mean and standard deviation of the quality variation of Zn after impregnation

由于上述測試的數據中,只有TJPTZA1試樣的數據完全有效,而其他試樣浸泡192 h的數據均不完全可靠,故可將不可靠數據排除,其他部分依然有效.

圖2為將以上6種試樣腐蝕的質量變化量平均值與浸泡時間關系的數據匯聚成的對比曲線.由圖2可見,除TJPTZA1外,TJPTZA2和TJPTZA3的耐腐蝕性均優于Al和Zn,TJPTZA3耐腐蝕性能最佳.而TJPTZA4早期的耐腐蝕性極佳,后期的耐腐蝕性能有所下降,如采用封閉處理,則這一現象可彌補.

圖2 試樣失重量平均值的對比Fig.2 Comparison of loss weight of samples

2.4 金相分析結果

圖3為TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3、TJPTZA4、Al和Zn 6種試樣浸漬前的形貌.

從圖3(a)～(d)中可以看到TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3基體的晶體結構較為類似,可以看到明顯的晶界.其中TJPTZA1基底和鍍膜層過度較好,未有明顯的相界面,TJPTZA2的鍍膜層晶粒較為細小,TJPTZA3的基底和鍍膜層中間有著明顯的相界面過度.而TJPTZA4試樣的基體大部分為晶界,性能不是很好.

圖3(e)和圖3(f)為在基體上鍍純Al和純Zn的形貌圖,可見有著明顯的相分界層.

圖4為圖3中6種試樣浸漬3 d后的形貌.從圖4中可以看出,6種試樣都受到了一定程度的腐蝕,但程度各不相同,其中鍍Zn試樣腐蝕最為明顯,鍍Al試樣也收到了很大程度的腐蝕.TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3、TJPTZA4受到的腐蝕影響相對較小.尤其是TJPTZA3,依然可以很清晰地看到鍍膜層的晶粒.

圖3 試樣未浸漬的形貌Fig.3 Morphology of samples before impregnation

圖4 試樣浸漬3 d后的形貌Fig.4 Morphology of the text impregnated for 3 days

圖5為6種試樣浸漬26 d后的形貌.從圖中可以看出鍍Al膜和鍍Zn膜腐蝕非常嚴重,尤其是鍍Zn試樣,鍍膜幾乎已經完全被腐蝕.而TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3、TJPTZA4受到的腐蝕則相對小很多.金相分析結果首先從涂層金相組織的變化中證實了在3 d內,除TJPTZA1外,TJPTZA2、TJPTZA3和TJPTZA4材料的耐腐蝕性能優于Al和Zn材料.而在26 d后,TJPTZA2、TJPTZA3仍優于Al和Zn材料.由于TJPTZA4的組織沒有Al涂層致密,因而耐腐蝕性能略低于Al涂層,但仍優于Zn涂層.而且如果加封閉層,則性能也會提高.

3 結 論

(1) 隨著腐蝕時間的延長,整體上TJPTZA1、TJPTZA2、TJPTZA3和TJPTZA4的表面形貌均有一定程度的腐蝕.

(2) TJPTZA2、TJPTZA3的耐腐蝕性優于Al和Zn,TJPTZA3的耐腐蝕性能最佳.說明不同原子間的相互作用可以有效地防止如氯化物等海水中含有物質的腐蝕,從而防止海水對于鋼鐵機體的腐蝕,減少損失.

圖5 試樣浸漬26 d的形貌Fig.5 Morphology of the Zn impregnated for 26 days

[1]Frank Prenger,Jochen Spriestersbach.鋅及鋅鋁合金熱噴涂涂層的腐蝕防護研究[J].熱噴涂技術,2012,4(3):71-75.

[2]徐濱士,張偉,梁秀兵.熱噴涂材料的應用與發展[J].材料工程,2001(12):3-7.

[3]傅肅嘉,應金根,陳朝中,等.熱噴涂非晶合金涂層及其在金屬腐蝕防護中的應用[J].腐蝕與防護,2009(7):447-450.

TheResearchontheCorrosionResistanceofZinc-aluminumCoatingbyThermalSpray

YANBiao,ZHANGQing,YANPeng-fei,ZHAOGuan-nan

(ShanghaiKeyLaboratory,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,
TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

We use zinc and aluminum as raw material,prepare TJPTZA1,TJPTZA2,TJPTZA3,TJPTZA4 coatings by thermal spraying on A3 steel. This paper researches the corrosion resistance to sea water of different coatings,pure zinc and pure aluminum,we use salt test to analysis the degree of corrosion-resistant of different coatings,the surface morphology after different corrosion time is observed by high-powered microscope. Comparing the pure zinc,pure aluminum with the alloys of different content of zinc and aluminum,to find that the corrosion resistance of TJPTZA2,TJPTZA3 is better than Al and Zn. Thus it reveals that it is the interaction between zinc atoms and aluminum atoms that slow down the corrosion.

zinc-aluminum alloys; coating; thermal spray; corrosion resistance

2014-05-16

嚴 彪(1961-),男,教授,博士生導師,主要從事金屬材料的表面處理等方面的研究.E-mail:84016@tongji.edu.cn

TG174.4

A