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(dǎo)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(fù)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(dǎo)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(xué)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。
 

 

　　(2)防腐與耐磨雙重功能的鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層的研制
 

　　鋁基非晶態(tài)合金材料是當今國際材料領(lǐng)域的研究熱點之一。非晶材料不存在結(jié)晶金屬存在的晶界、缺陷、偏析和析出物等，表現(xiàn)出各向同性，具有優(yōu)異的耐腐蝕性能。但是，鋁基非晶態(tài)合金玻璃形成能力較差，過冷液相區(qū)寬度僅有10K左右，急冷條件限制比較苛刻（冷卻速度須大于105K/s），且只能獲得粉狀、絲狀、薄帶、毫米棒等形式產(chǎn)品，限制了該類合金性能潛力的發(fā)揮及其推廣應(yīng)用。
 

　　高速電弧噴涂技術(shù)不僅可以快速升溫熔化材料，同時具有快速冷卻凝固材料的特征，冷卻速度極高（105-107K/s），具備了形成非晶納米晶復(fù)合涂層的必要條件。而且該技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、低成本的優(yōu)勢，還可以大面積獲得具有優(yōu)質(zhì)防腐性能的非晶納米晶復(fù)合涂層，對于該類材料在海洋工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用非常有利。通過大量調(diào)研，利用粉芯絲材制備技術(shù)，通過合金成分的合理設(shè)計和優(yōu)化，筆者科研團隊在國際上率先采用高速電弧噴涂技術(shù)獲得了鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層，拓寬了該類材料的制備方法和應(yīng)用范圍，并在國際期刊上發(fā)表了第一篇該領(lǐng)域的英文學(xué)術(shù)論文。
 

　　獲得的Al基非晶納米晶復(fù)合涂層由非晶、納米晶相和晶化相共同組成（如圖5所示），具有硬度高（與45鋼相近，顯微硬度值在HV0.1=300-400之間，見圖6所示）、防腐性能優(yōu)異（比傳統(tǒng)Al涂層提高了3倍以上，見圖7所示）和耐磨損性能良好的特點。最為重要的是，該涂層在腐蝕與磨損交互作用環(huán)境下的相對耐磨性比傳統(tǒng)防腐材料（Al涂層）提高了1個數(shù)量級。不僅解決了傳統(tǒng)Al、Zn基防腐涂層材料不耐磨損的技術(shù)“瓶頸”，更為在腐蝕與磨損交互作用下的惡劣工況環(huán)境中服役的工程設(shè)施提供了防護保障。
 

 

　　揭示了鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)對其防腐、耐磨性能的影響機制。指出涂層中存在非晶具有優(yōu)異的防腐、耐磨性能的；彌散分布于非晶中的納米晶相起到了性能強化作用，使整體涂層具有較高的硬度和良好的耐磨損性能；在腐蝕介質(zhì)中，納米晶粒具有較大的比表面能，可促進鈍化膜的生成，有利于提高涂層的耐腐蝕性能。非晶與納米晶相的結(jié)合，使得該系列涂層同時具備防腐與耐磨功能。
 

　　考察了微量元素對鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層顯微結(jié)構(gòu)的影響作用。發(fā)現(xiàn)了適量Co元素的加入促進了Al13Co4納米晶相的形成，促使納米晶粒增多，同時提高了α-Al、AlNi和Al13Co4納米晶在AlNi非晶母相中的彌散程度，導(dǎo)致涂層的硬度和結(jié)合強度有所提升；獲得了Co元素的加入使涂層玻璃轉(zhuǎn)變溫度有所上升和楊氏模量略有提高的作用規(guī)律，側(cè)向佐證了涂層玻璃轉(zhuǎn)變溫度與楊氏模量成正比。
 

　　以上ZnAl基、Al基防護涂層滿足不同腐蝕環(huán)境下的工況要求，可以為海洋工程設(shè)施提供優(yōu)質(zhì)可靠的材料保障。自動化高速電弧噴涂技術(shù)可實現(xiàn)大面積智能、高效、穩(wěn)定操作的工業(yè)化應(yīng)用特征，將在未來的海洋工程設(shè)施表面防護領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。這些新型的獨具特色的防腐功能涂層材料，也將隨著人類對海洋資源開發(fā)利用的需求日漸迫切而服務(wù)于更廣闊的海洋工況環(huán)境里。

責任編輯：劉娟

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