長期以來，涂層下金屬腐蝕的無損檢測一直是技術(shù)上的難題！

    這是因?yàn)槠釋拥氖且粋€從量變到質(zhì)變的過程，而這種轉(zhuǎn)折點(diǎn)往往與金屬結(jié)構(gòu)的檢查和維護(hù)周期有關(guān)。

    今天我們來介紹兩種金屬腐蝕的無損檢測方法，這兩種方法可以在金屬設(shè)備表面漆層破裂、金屬表面發(fā)生明顯腐蝕之前檢測到金屬基體的腐蝕程度，有助于及時(shí)對已發(fā)生輕微腐蝕的金屬件采取防腐補(bǔ)救措施。

    基于多功能涂層的腐蝕顯示法

    金屬腐蝕是一個電化學(xué)的過程，利用pH敏感微囊體技術(shù)研發(fā)一種多功能涂層，可用于對金屬設(shè)備進(jìn)行早期腐蝕檢測和保護(hù)。

    腐蝕和pH的關(guān)系

    金屬腐蝕會涉及金屬表面和電解質(zhì)溶液之間的電子轉(zhuǎn)移。

    圖1 不同暴露時(shí)間下，pH指示劑檢測金屬腐蝕變化的示例

    如上圖，鋼鐵制品的大部分暴露在水中，中部被銅包裹。pH指示劑顏色的變化表明暴露部分鋼鐵制品變?yōu)樗嵝裕S色），而外包銅條為堿性（紫色），原因在于氧氣減少，釋放出氫氧離子。

    核心組成

    該多功能涂層腐蝕檢測法的核心為pH觸發(fā)釋放的微囊體，微囊體主要由微囊腐蝕指示劑、腐蝕抑制劑和自我修復(fù)系統(tǒng)等構(gòu)成。金屬涂層在pH發(fā)生變化時(shí)，多功能涂層的反應(yīng)見下圖。

    圖2 多功能涂層的反應(yīng)

    微囊體和金屬腐蝕發(fā)生作用，微囊體壁會破裂、釋放出核心物質(zhì)。從下圖可見，腐蝕發(fā)生時(shí)，微囊體腐蝕指示劑釋放出來后與金屬腐蝕產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生不同的顏色來表明腐蝕的存在和腐蝕的程度，從上至下依次為：pH指示劑（抑制劑、自我修復(fù)劑）的微囊體、堿性pH（腐蝕）條件下微囊外殼破裂、發(fā)生腐蝕時(shí)pH指示劑變色，從微囊體釋放。

    圖3 pH敏感微囊體工作機(jī)理示意

    工作原理

    在金屬腐蝕應(yīng)用中，pH敏感微囊體可以包裹多種化合物，如腐蝕指示劑、抑制劑和自我修復(fù)劑等。這些微囊體可以加入到多個涂層系統(tǒng)中用于腐蝕檢測、保護(hù)和金屬涂層損害的自我修復(fù)。

    圖4 多功能涂層應(yīng)用原理示意

    腐蝕發(fā)生時(shí)，微囊體會在靠近腐蝕位置釋放核心物質(zhì)（指示劑、抑制劑和自我修復(fù)劑）。微囊體掃描電子顯微鏡（SEM）圖像如下圖所示，圖中上方方框里為腐蝕指示劑，下方方框里為腐蝕抑制劑。

    圖5 微囊體掃描電子顯微鏡圖像

    試驗(yàn)驗(yàn)證

    該多功能涂層腐蝕檢測法的意義在于在金屬結(jié)構(gòu)元件發(fā)生故障前，可以通過視覺變化，檢測出較難接觸區(qū)域的腐蝕情況。

    圖6 某近海航天發(fā)射場內(nèi)螺栓的隱藏腐蝕情況的檢測示意

    在機(jī)械設(shè)備檢測周期內(nèi)對螺栓進(jìn)行檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺栓端部腐蝕程度并不嚴(yán)重，但拆開后發(fā)現(xiàn)螺桿部分已經(jīng)發(fā)生了極嚴(yán)重腐蝕，如圖6（a）所示。

    使用多功能涂層腐蝕檢測法后，根據(jù)螺母顏色變化可以判斷出螺桿的腐蝕程度，對不拆解螺栓即可檢測出內(nèi)部腐蝕有重要意義。

    微波檢測法

    微波檢測法是另一種可用于檢測金屬設(shè)備漆層下腐蝕程度的有效方法，可檢測的最大涂層厚度約為20mm。

    工作原理

    微波檢測法使用20GHz的毫米波信號穿過漆層對金屬腐蝕程度進(jìn)行檢測，并可準(zhǔn)確測定出腐蝕位置。

    為防止在兩個信號發(fā)生器的輸出電路中形成互調(diào)產(chǎn)物，兩個信號發(fā)生器提供兩組不同的毫米波信號。兩組毫米波信號在雙向功率合成器中進(jìn)行合成，然后反饋至雙向耦合器。頻率和信號級略有不同的兩組信號從耦合器輸出的直通通路反饋至電介質(zhì)透鏡天線。通過使用電介質(zhì)透鏡天線，兩組信號聚焦在待評定物體的表面。金屬氧化層為入射的毫米波信號提供了非線性連接面。當(dāng)這些非線性連接面是金屬腐蝕產(chǎn)物時(shí)，會產(chǎn)生第三種信號，也就表明金屬發(fā)生了腐蝕。表面覆蓋的其他絕緣材料，如灰塵、油液污物等，本身不含金屬氧化物，所以不會對腐蝕檢測結(jié)果造成影響。

    試驗(yàn)驗(yàn)證

    微波檢測法的檢測試驗(yàn)裝置包括2個信號源、雙向合路器、雙路耦合器、發(fā)射/接收介質(zhì)透鏡天線和頻譜分析儀。

    圖7 微波檢測試驗(yàn)系統(tǒng)原理示意

    在距離天線300mm的位置，介質(zhì)透鏡天線可將雙頻電子束聚焦在直徑25mm的光點(diǎn)上，對表面進(jìn)行檢測，并接收到反射信號。

    圖8 漆層下出現(xiàn)腐蝕時(shí)的頻譜分析儀的顯示結(jié)果

    圖9 漆層下未出現(xiàn)腐蝕時(shí)的頻譜分析儀顯示結(jié)果