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腐蝕類表面工程技術(shù)在海洋工程裝備中的應用

2023-05-06 16:35:50 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

21世紀是海洋的世紀，爭奪世界海洋權(quán)益及深海資源是本世紀世界海洋強國與臨海國家的一項重要戰(zhàn)略行動。但海洋環(huán)境非常苛刻，在ISO 12944給出的典型腐蝕環(huán)境分類中，海洋環(huán)境是腐蝕等級最高的腐蝕環(huán)境。

表面工程技術(shù)是提高材料表面性能的重要方法，它能夠在不破壞材料自身性能的前提下，對材料表面性能進行強化或再生，使材料或部件表面具備耐磨、耐蝕、抗氧化、耐熱、絕緣、密封和隔熱等性能中的一種或幾種。因此，表面工程技術(shù)已成為實現(xiàn)海洋工程裝備材料最終性能的重要手段。

大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件的防護

長期暴露在海洋環(huán)境中的大型鋼鐵構(gòu)件，如鋼結(jié)構(gòu)橋、海上鉆井平臺、艦船的鋼結(jié)構(gòu)等會受到不同程度的腐蝕和侵蝕。由于鋅、鋁、鋅－鋁涂層的電極電位均負于鋼鐵，故對鋼鐵結(jié)構(gòu)能起到陰極保護作用。熱噴涂此類涂層作為鋼鐵構(gòu)件的防護始于20世紀20年代。目前，已在水工閘門、船體、海洋平臺鋼結(jié)構(gòu)、碼頭鋼管樁、橋塔、鋼箱梁等結(jié)構(gòu)中應用。根據(jù)實際工程情況，通常將鋅、鋁或鋅－鋁防護層與封孔防銹層和防老化面漆層結(jié)合，形成多層防護體系，目前已獲得較好的防護效果。圖1所示為鋁基涂層封孔前后電化學腐蝕形貌。

圖1 鋁基涂層封孔前后電化學腐蝕形貌：ａ,ｂ.封孔涂層；ｃ,ｄ.未封孔涂層

關(guān)鍵部件的表面強化

海洋工程裝備關(guān)鍵部件，如柴油機氣缸套、曲軸、艉軸（尾軸）、船舶液壓系統(tǒng)、鉆井泵等，服役于腐蝕、高磨損、高溫、高壓等環(huán)境條件下，為了滿足這類部件的服役需求，必須要對其進行表面強化處理，增強其耐磨、耐蝕性能。

先進熱噴涂技術(shù)

電鍍硬鉻是海洋工程裝備關(guān)鍵部件傳統(tǒng)的表面強化技術(shù)之一。但是會釋放大量Cr⁶⁺，造成嚴重的環(huán)境污染；另一方面電鍍硬鉻涂層存在氫脆和裂紋風險，工作溫度較低難以滿足現(xiàn)代機械高溫、高速、高腐蝕環(huán)境的工作要求。

熱噴涂技術(shù)是一種環(huán)境友好、高效、可在基體上沉積金屬、陶瓷、金屬陶瓷等涂層的現(xiàn)代表面強化技術(shù)。基于超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)制備的碳化物金屬陶瓷涂層，如NiCr-Cr3C2（如圖2所示）和WC-Co具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。通過在300M超強鋼基體上制備了WC-17Co和WC-10Co4Cr涂層。NaCl溶液中的電化學測試表明，WC-10Co4Cr涂層處理后的基體，其自腐蝕電位得到大幅度升高。400小時的鹽霧腐蝕試驗結(jié)果表明，兩種涂層都提高了300M鋼基體的抗鹽霧腐蝕性能。研究表明，含有小尺寸碳化物顆粒的細粉制備相，提高了粘結(jié)相的自腐蝕電位，延緩了腐蝕介質(zhì)向基體的擴散，因此表現(xiàn)出更好的抗鹽霧腐蝕性能。

圖2 NiCr-Cr3C2熱噴涂層的截面形貌

先進薄膜涂層技術(shù)

以TiC、TiN、CrN、DLC為代表的碳化物基、氮化物基或金剛石類陶瓷薄膜具有高硬度、低摩擦磨損及優(yōu)良的抗腐蝕等性能，大量用于石油、天然氣工業(yè)中的關(guān)鍵部件，如心軸、抽油泵泵筒、傳動軸等。薄膜涂層的制備主要是氣相沉積的方法，包括物理氣相沉積和化學氣相沉積。

為了滿足不斷提高的實際應用需求，人們嘗試通過添加第三元素實現(xiàn)TiN涂層的合金化，或者通過制備多層膜來提高薄膜層的綜合性能，并取得了較好的效果。通過在二元合金TiN中添加Al，大大提高了薄膜的硬度，可達到3000 HV0.05，顯著減少磨損。氧化試驗證明(Ti, Al)N較TiN有較好的耐剝落性，從而顯示出較好的耐磨性能。與TiN比較，(Ti, Al)N可得到較細的晶粒組織，減弱柱狀生長，從而可改善其耐電化學腐蝕性能。圖3所示為涂層表面的顯微組織。

圖3 涂層表面的顯微組織

激光表面處理

激光表面處理是采用大功率密度的激光束，對金屬進行表面處理，在材料表面形成一定厚度的處理層，從而改變材料表面的結(jié)構(gòu)，獲得理想的性能。激光表面處理可以顯著提高材料的硬度、強度、耐磨性、耐蝕性等一系列性能，從而延長產(chǎn)品的使用壽命和降低成本。激光表面強化技術(shù)主要可分為激光淬火、激光沖擊硬化、激光熔敷等。

激光表面技術(shù)較為適用于鋼鐵材料和鑄鐵材料。其中，激光淬火可用于海洋工程裝備軸承圈、閥座、曲軸活塞環(huán)、齒輪等部件的表面強化；激光沖擊硬化可用來強化精加工工件的曲面，如齒輪、軸承的表面；激光熔敷可用于液壓立柱、發(fā)動機渦輪葉片、灰鑄鐵閥座等部件。圖4所示為激光熔覆示意圖。

圖4 激光熔覆示意圖：a) 同軸送粉；b) 預置鋪粉

等離子碳氮共滲+離子氧化

復合處理技術(shù)

鉆井平臺的樁腿升降裝置的齒輪和齒條、定位銷，起重機的臂銷、缸銷、普通銷、銷軸等部件發(fā)生腐蝕、磨損后極易導致部件銹死，使用壽命縮短，造成嚴重的危害。通常采取如表面淬火、氮碳共滲結(jié)合發(fā)黑、磷化、電鍍等防銹處理，或鹽浴氮化后拋光再進行氧化的表面處理工藝（簡稱QPQ鹽浴復合處理）來提高其耐磨、耐蝕性能。但是這些方法都存在環(huán)境污染問題，難以得到廣泛應用。

目前離子氮碳共滲+氧化復合處理技術(shù)（國外稱其為PLASOX技術(shù)或IONITOX技術(shù)），不僅較好地解決了環(huán)境污染的問題，同時還具有處理周期短、能源消耗低、設備成本比較低的特點。圖5所示為等離子碳氮共滲截面顯微組織掃描結(jié)果。

圖5 等離子碳氮共滲截面顯微組織掃描結(jié)果

電偶腐蝕防護涂層

電偶腐蝕是指異種金屬在同一電解質(zhì)中相互接觸時，由于腐蝕電位不相等，存在電偶電流，使電位較低的金屬溶解速度增加，電位較高的金屬溶解速度減小的現(xiàn)象。海水是一種強電解質(zhì)，很容易和不同材料構(gòu)成回路而導致電偶腐蝕的發(fā)生，進而誘導甚至加速應力腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、氫脆等情況的發(fā)生。

海洋工程中的電偶腐蝕防護涂層是從電絕緣隔離的角度提出的防護措施。對于承載載荷和/或有相對運動的關(guān)鍵部件，如天然氣管道彎頭和連接部位、海底電纜接頭，海上風力發(fā)電的電子元器件連接部位、海底電纜接頭，海上風力發(fā)電的電子元器件、電路接口、潛艇進氣口部件等則要求兼具絕緣、耐磨和防腐性能的涂層。采用熱噴涂技術(shù)噴涂絕緣陶瓷涂層能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。圖6所示為金屬材料電偶腐蝕原理示意圖。

圖6 金屬材料電偶腐蝕原理示意圖

關(guān)鍵部件的再制造

再制造是以裝備全壽命周期理論為指導，以實現(xiàn)廢舊裝備性能提升為目標，對廢舊裝備采用一系列技術(shù)措施后使之性能達到或高于原裝備新品性能的工程活動。

海洋工程關(guān)鍵件再制造的目的是恢復尺寸、恢復功能（耐磨、耐熱、耐蝕、抗沖擊、減摩等功能），使再制造的部件恢復或提高性能，延長使用壽命。近年來，熱噴涂、納米顆粒復合電刷鍍、離子注入、激光熔覆、等離子熔覆技術(shù)及納米膠表面粘結(jié)技術(shù)等新工藝已應用于再制造領域，并取得了良好的效果。如采用熱噴涂技術(shù)修復大型船用柴油機汽缸套、排氣閥、曲軸等部件、石油化工領域的球閥、柱塞等，利用納米顆粒復合電刷鍍技術(shù)對汽車發(fā)動機的曲軸、凸輪軸、連桿，進口飛機發(fā)動機壓氣機葉片進行再制造；采用激光熔覆技術(shù)對軸類、齒類及發(fā)動機鑄鐵缸蓋的再制造。圖7所示為油缸內(nèi)壁粉末激光熔覆。