多元合金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能的影響

曾航劍

摘 要：隨著鋼結構在建筑中的利用進一步加大，對其抗腐蝕性能要求也進一步提高，多元合金的出現(xiàn)更好的解決了上述問題，本文分別在工業(yè)大氣和海洋性大氣條件下，對比了鋅-鈷-錸合金、鋅-鋁-鎂合金、鋅-鋁-鎂-鈰合金對鋼結構的保護作用，分析研究了多元合金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能的影響。

關鍵詞：鋼結構；多元合金；工業(yè)大氣；海洋性大氣

鋼結構相對比傳統(tǒng)的建筑用材，具有優(yōu)異的延展性、承載力、體積小、重量輕，因此被廣泛的應用在各種建筑上[ 1 ]。隨著社會的發(fā)展，高層建筑、大型橋梁、重型車間、海上建筑等越來越多，對鋼結構的防腐蝕性能也提出了更高的要求。

作為建筑的主體框架，鋼結構的穩(wěn)定性直接關系著建筑物的使用壽命、安全性等各方面問題。為了達到更高的要求，對鋼結構的防腐處理技術也越來越多，主要方法包括，對鋼結構本身抗腐蝕性能的提升，即耐候鋼的應用，對處于水下或地下的鋼結構進行陰極保護法進行防腐，在鋼結構表面噴涂防腐材料進行防腐，以及采用熱噴涂技術，在鋼結構表面噴涂多元合金已達到防腐的目的[ 2 ]。在所有方法中，效果最好的為最后提到的多元合金表面熱噴涂技術。

熱噴涂技術是在熱源的存在下，將熔化的或是半熔化的合金，通過高速霧化氣流的作用，噴射到基體表面，然后凝固形成于基體結合緊密的薄片狀涂層。熱噴涂技術中，火焰噴涂和電弧噴涂是鋼結構防腐中最常用的技術[ 3 ]。目前比較常見的合金涂層有鋅-鋁合金、鋅-鈷-錸合金、鋅-鋁-鎂合金、鋅-鋁-鎂-鈰合金，從化學角度分析，鋅、鋁的電極低于鋼鐵，因而可以提供陰極保護作用，而合金涂層在受到腐蝕后產(chǎn)生的化學腐蝕產(chǎn)物具有很好的保護性，可以阻止涂層的進一步腐蝕，所以涂層的消耗率很小。研究顯示，在海洋性大氣中，鋅-鋁涂層的腐蝕率分別為1-2μm/a，數(shù)據(jù)顯示，合金涂層對鋼結構可提供長時間的抗腐蝕性能。下文分別針對工業(yè)性大氣腐蝕和海洋性大氣腐蝕對多元合金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能的影響進行研究。

一、工業(yè)性大氣腐蝕對多元合金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能影響研究

（一）工業(yè)大氣主要污染物分析

工業(yè)性大氣的主要污染物為二氧化硫、二氧化碳、氯、硫化氫、鹽酸、氮氧化物，其中二氧化硫的危害最大，對鋼結構的腐蝕最快，在城市區(qū)、工業(yè)區(qū)，二氧化硫的在大氣中的比重可達0.1-100mg/m3，在濕度較高的情況下，其對鋼結構的腐蝕速度會進一步加大。數(shù)據(jù)研究顯示，相比干燥的大氣環(huán)境，鋼結構在濕度較大的工業(yè)大氣環(huán)境中平均腐蝕速度要高出五十倍以上。

（二）工業(yè)大氣實驗條件下分析鋅涂層、鋅-鈷-錸合金涂層防腐性

將熱噴鋅涂層、鋅-鈷-錸合金涂層在某城市工業(yè)大氣環(huán)境下暴露12個月，對鋅-涂層而言，雨水沖刷不斷腐蝕產(chǎn)物，使得雖然暴露時間逐漸的增加，但是腐蝕產(chǎn)物并沒有隨之累積，分析其主要原因為，雨水中氫濃度造成了腐蝕產(chǎn)物的流失。所以腐蝕產(chǎn)物對涂層表面的保護在暴露一個月后就趨于穩(wěn)定，而不會隨著時間進一步增加。鋼結構在上述環(huán)境中的損失為5.84%，相比較而言，鋅-鈷-錸合金涂層的鋼結構在上述環(huán)境中的損失為1.43%。

二、海洋性大氣腐蝕對多元合金表面熱噴涂對鋼結構防腐性能影響研究

（一）海洋大氣主要污染物分析

不同于工業(yè)性大氣，海洋性大氣的主要污染物為鹽，鹽粒的吸濕性能很強，所以受濕度影響，海洋性大氣的腐蝕更快。同時，鹽粒沉積在涂層表面，氯離子的穿透性，對金屬的腐蝕性很大，研究顯示，在氯離子和二氧化硫協(xié)同存在的情況下，其所產(chǎn)生的腐蝕程度極大增加，遠遠高于兩者單獨存在時產(chǎn)生的腐蝕影響。所以我國的濱海城市金屬材料的腐蝕非常嚴重，帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

鋅涂層雖然在腐蝕的初期會形成保護層，但在海洋性大氣環(huán)境中，氯離子的沉積和其穿透性對涂層會進行進一步的侵蝕，所以鋅涂層并不適合于海洋性大氣中的防腐。相比之下，鋁涂層在噴涂后，其表面和內(nèi)部會形成很厚的三氧化二鋁，具有很強的屏蔽作用，涂層中的空隙被封閉后，只要不存在機械損傷，氯離子很難在穿透空隙對涂層進行進一步的腐蝕。同時鋁涂層的硬度、耐久性、耐腐蝕性都更強的優(yōu)勢。但是三氧化二鋁形成的保護膜的的導電率很低，電位高于基體，所以鋁涂層的陰極保護作用很弱。當涂層收到外界機械損傷時，鋼結構基體還是會發(fā)生腐蝕。為解決上述問題，發(fā)展產(chǎn)生了鋅-鋁合金涂層，將鋅包圍在鋁涂層中，腐蝕產(chǎn)生的孔隙被封閉，同時鋅涂層對鋼鐵基體的保護作用，可進一步抑制率圖層的腐蝕。

在進一步研究中發(fā)現(xiàn)，在鋅-鋁合金，加入鎂可以更紅的提高合體涂層的防腐蝕性能，該涂層的腐蝕產(chǎn)物更加致密，阻止了氯離子的進一步侵蝕，在進一步的探索中，研究者將稀土元素鈰，加入到鋅-鋁-鎂合金中，由于鈰元素的存在，降低了晶粒與晶界的電位差，進而減緩了腐蝕。

（二）海洋大氣實驗條件下分析鋅涂層、鋅-鋁合金涂層、鋅-鋁-鎂合金涂層、鋅-鋁-鎂-鈰

合金涂層防腐性分析：將鋅涂層、鋅-鋁合金涂層、鋅-鈷-錸合金涂層進行鹽霧腐蝕試驗，模擬海洋性大氣，試驗溶液為氯化鈉-去離子溶液，并選擇循環(huán)噴霧處理。10天后，對四種涂層樣品進行稱重，記錄質量損失，在稱重前用乙醇擦洗樣品風干。實驗結果為，鋅涂層樣品質量損失為4.55%，鋅-鋁合金涂層樣品質量損失為3.15%，鋅-鋁-鎂合金涂層樣品質量損失為1.12%，鋅-鋁-鎂-鈰合金涂層樣品質量損失為0.82%，實驗數(shù)據(jù)說明，在四者之中鋅-鋁-鎂-鈰合金涂層的樣品質量損失最低，明顯優(yōu)于鋅涂層、鋅-鋁合金涂層。

三、結語

根據(jù)上述分析，在工業(yè)性大氣實驗中，鋅-鈷-錸合金涂層對比鋅-涂層表現(xiàn)除了更為優(yōu)越的性能，在海洋性大氣實驗中，鋅-鋁-鎂-鈰合金涂層的表現(xiàn)最為優(yōu)秀。基于目前社會發(fā)展對鋼結構的腐蝕性能提出更高的要求，多元合金技術的發(fā)展越來越快，也給鋼結構的抗腐蝕性能帶來更大提高。

參考文獻：

[1] 張米斯，高新華，寧暉，王奎升.熱噴涂金屬涂層與艦船應用前景[J].中國艦船研究，2015，06：120-125.

[2] 劉玉棟，周勇，馬曉琳.熱噴涂Zn-Al-Mg合金涂層的研究進展[J].熱處理技術與裝備，2015，06：81-84.

[3]睢文杰，趙文杰，秦立光，張星，烏學東，薛群基.銅合金表面防腐涂層研究進展[J].腐蝕科學與防護技術，2016，01：88-94.