本文圍繞富饒海洋資源開發(fā)與利用對于海洋工程設(shè)施防腐技術(shù)長效增壽的迫切需求，介紹了集成創(chuàng)新研發(fā)的具有高效、穩(wěn)定和智能特色的自動化高速電弧噴涂系統(tǒng)，以及開發(fā)的針對服役于不同海洋環(huán)境下各具特色的設(shè)施表面長效防腐涂層材料，并展望了自動化高速電弧噴涂防腐涂層制備技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的防護應(yīng)用前景。

 

　　文| 梁秀兵 張志彬 魏世丞 裝甲兵工程學院機械產(chǎn)品再制造國家工程研究中心

 

　　隨著能源危機問題的日趨突出，富饒海洋資源的開發(fā)和利用越來越被人們重視。開發(fā)海洋資源的能力不僅反映出一個國家海洋科技創(chuàng)新及其推廣應(yīng)用的水平，更能體現(xiàn)出這個國家在海洋領(lǐng)域的競技潛能和綜合國力。目前，我國在海洋領(lǐng)域的探索和發(fā)展處于持續(xù)升溫狀態(tài)，越來越多的海洋工程設(shè)施投入應(yīng)用，如海洋平臺、油氣管線、岸壁設(shè)施、大型船舶等。但是這些海洋工程設(shè)施的發(fā)展仍然面臨著諸多問題，腐蝕損傷、磨蝕失效和生物污損等情況嚴重延緩了我們在海洋資源開發(fā)利用領(lǐng)域的前進步伐。據(jù)資料顯示，海洋工程材料因腐蝕等問題每年造成了近萬億元的經(jīng)濟損失。因此，海洋腐蝕失效機理的研究與工程設(shè)施防腐技術(shù)的提升已成為我國海洋工程領(lǐng)域里亟待解決的問題。

 

　　近年來的研究與應(yīng)用結(jié)果表明，采用熱噴涂合金防腐涂層是海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護的有效方法之一。這種技術(shù)是利用各種熱能將防腐金屬材料熔化，并通過高速氣流使其霧化噴射到零件表面上，形成防護涂層的一種表面加工方法。但是，傳統(tǒng)的電弧噴涂防腐技術(shù)通常是由人工來操作的，導致其控制精度較低、產(chǎn)生的涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，而且它的作業(yè)環(huán)境較為惡劣，這些情況嚴重制約了該技術(shù)在海洋防腐工程領(lǐng)域更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。針對這些問題，筆者科研團隊將智能控制技術(shù)、逆變電源技術(shù)、紅外測溫技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)綜合集成創(chuàng)新研制了新型自動化高速電弧噴涂設(shè)備，將傳統(tǒng)“粗放型”電弧噴涂技術(shù)提升為噴涂工藝與涂層質(zhì)量精確可控的先進高效維修技術(shù)。

 

　　自動化智能高速電弧噴涂系統(tǒng)實現(xiàn)了操作系統(tǒng)與噴涂設(shè)備的一體化聯(lián)動控制，具有自動化程度高、穩(wěn)定可靠的特點，在海洋工程材料表面大面積防腐等領(lǐng)域效果顯著。該系統(tǒng)中的高速電弧噴涂槍實現(xiàn)了超音速氣流霧化，最大氣流速度達586m/s,鐵基噴涂材料的最大粒子飛行速度由傳統(tǒng)噴涂的100m/s 以下提高到150m/s 以上，涂層的結(jié)合強度可達20-40MPa,孔隙率顯著降低， 涂層質(zhì)量得到大幅提升。系統(tǒng)中具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高穩(wěn)定性的脈寬調(diào)制型數(shù)字式電弧噴涂逆變電源，實現(xiàn)了在噴涂過程中噴涂參量與送絲速度之間的智能化自反饋和自調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)電弧噴涂采用的硅整流電源相比，逆變式噴涂電源體積和重量分別減小50% 和75%,質(zhì)量更加可靠，便于現(xiàn)場維修作業(yè)。利用研發(fā)的電弧噴涂智能模糊控制單元，結(jié)合紅外熱像儀對噴涂溫度場的監(jiān)控， 實現(xiàn)了電弧噴涂工藝參數(shù)的在線智能閉環(huán)反饋控制，進而實現(xiàn)涂層殘余應(yīng)力的優(yōu)化控制。設(shè)備單元采用模塊化設(shè)計，環(huán)境適應(yīng)性強， 涂層質(zhì)量精確可控，使電弧噴涂升級為噴涂工藝與涂層質(zhì)量可精確控制的先進維修技術(shù)，噴涂效率為手工的3 倍以上，大大減輕了操作強度，為海洋工程設(shè)施表面防腐提供了技術(shù)支撐。
 

 

　　高速電弧噴涂技術(shù)不僅保持了經(jīng)濟性、適用性強等特點，而且使噴涂層獲得了更加優(yōu)異的性能，可有效延長海洋工程設(shè)施的使用壽命，特別是在大型鋼結(jié)構(gòu)的防腐工程方面將發(fā)揮重要作用， 是一項易于推廣、適合我國國情的高新技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，筆者科研團隊根據(jù)材料制備與成形一體化先進技術(shù)的設(shè)計思想，結(jié)合我國國情創(chuàng)造性地提出將粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)相結(jié)合， 研發(fā)了具有“自封閉”效應(yīng)的Zn-Al-Mg-RE 涂層和新型兼具防腐與耐磨雙重功能的Al 基非晶納米晶復合涂層，為海洋工程設(shè)施表面防腐提供了更為優(yōu)質(zhì)的材料支撐和技術(shù)保障。

 

　　（1） 具有“自封閉”效應(yīng)的Zn-Al-Mg-RE 涂層的研究

 

　　采用熱噴涂Zn、Al 及其合金涂層對鋼鐵結(jié)構(gòu)件進行長效防腐， 國外早在20 世紀20 年代就已開始應(yīng)用，至今仍是普遍采用的腐蝕防護措施。國內(nèi)外防腐實踐表明，Zn-Al 合金防腐涂層的防腐性能要好于Zn、Al 涂層，并逐漸替代了Zn 涂層和Al 涂層，成為海洋氣候環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護的首選材料。但這些材料對“點蝕” 等常見腐蝕形式的防護效果較差，容易導致材料腐蝕穿孔、鼓泡失效，影響裝備的使用壽命。

 

　　調(diào)研發(fā)現(xiàn)，在Zn-Al 合金涂層中添加少量的Mg 和RE 能進一步提高涂層的耐蝕性能。Mg 的作用是形成尖晶石氧化膜改善涂層中Al 的陰極保護作用，出現(xiàn)“自封閉”現(xiàn)象大大提高了其在鹽霧腐蝕環(huán)境下的耐“點蝕”性能；RE 元素能細化涂層微觀結(jié)構(gòu)，減少噴涂層的孔隙率，并對涂層具有一定的強化作用。但由于受到實心材料拉拔工藝的限制，無法獲得高Al（含量大于15% 時）、Mg 含量的噴涂絲材。針對海洋環(huán)境下工程設(shè)施的長效防腐問題， 創(chuàng)造性地采用粉芯絲材制備技術(shù)（如圖2 所示），解決了上述技術(shù)“瓶頸”,填補了我國在該研究領(lǐng)域的空白。
 

 

　　鹽霧試驗結(jié)果表明Zn-Al-Mg-RE 高速電弧噴涂層具有最好的耐蝕性能，耐蝕壽命為Zn 和Al 涂層的4 倍以上。經(jīng)過進一步電化學試驗手段分析認為：在腐蝕環(huán)境中，Al 涂層容易發(fā)生點蝕， 腐蝕產(chǎn)物無自封閉作用；Zn 涂層的腐蝕產(chǎn)物易溶于水，表現(xiàn)出微弱的自封閉效果；Zn-15Al 涂層的腐蝕產(chǎn)物對涂層中的孔隙能產(chǎn)生一定的自封閉作用，但不徹底；加入Mg 后的Zn-Al-Mg 涂層在腐蝕后形成較致密的腐蝕產(chǎn)物，自封閉效果較為明顯，但不穩(wěn)定； 加入RE 元素后，改善了涂層組織的均勻性，降低了涂層的孔隙率， 提高了腐蝕產(chǎn)物層的穩(wěn)定性，其自封閉作用明顯，從而進一步提高涂層的耐蝕性能，Zn-Al-Mg-RE 涂層在腐蝕過程中表現(xiàn)出明顯且穩(wěn)定的自封閉現(xiàn)象。

 

　　提出了Zn-Al-Mg-RE 涂層的“自封閉”機理。該涂層在腐蝕動態(tài)過程中形成了納米腐蝕產(chǎn)物，隨著腐蝕反應(yīng)的進行，生成了一系列Zn 的堿式鹽類、Mg 的氫氧化物及Mg 與Al 形成的尖晶石氧化物的水合物等腐蝕產(chǎn)物（如圖3 所示），這些腐蝕產(chǎn)物不但能夠在涂層表面形成鈍化膜，還能夠有效地堵塞涂層中的孔隙， 切斷腐蝕介質(zhì)的快速通道，從而提高涂層的耐蝕性。該涂層耐蝕性能為傳統(tǒng)Al 涂層的2-3 倍，有效解決了“點蝕”難題，可使海洋工程設(shè)施的防護壽命由原來的3-5 年提高到10-15 年以上，并成功應(yīng)用到了大型水壩閘門、海洋氣象浮標、民用船舶甲板等鋼結(jié)構(gòu)件上（應(yīng)用實例見圖4 所示），防護效果顯著。