火焰噴涂鋁涂層

昌 霞，韓付會，張小彬，黃偉九

(重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054)

熱噴涂技術(shù)由于可以快速地在基體上沉積耐磨、耐蝕等功能的涂層而受到廣泛關(guān)注。氧－乙炔火焰噴涂技術(shù)是利用燃?xì)?乙炔)與助燃?xì)?氧氣)燃燒產(chǎn)生的熱量加熱絲狀或粉末態(tài)噴涂材料，使其達(dá)到熔融或軟化狀態(tài)，借助火焰流動或噴射加速氣體，將噴涂材料噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面，形成涂層的工藝方法。火焰噴涂是一種常用的噴涂方法，它具有價廉、節(jié)能、高效、靈活等特點，其操作簡單、方法容易掌握，因而應(yīng)用廣泛［1－3］。

熱噴涂技術(shù)應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護始于20世紀(jì)30年代，用于海洋環(huán)境中金屬結(jié)構(gòu)的防護。德國于1935年應(yīng)用噴鋁加富鋅底漆加瀝青面漆的保護層體系，對升船機進行保護［4］。熱噴涂鋁涂層的研究是開發(fā)鋼結(jié)構(gòu)長效耐腐蝕的重要內(nèi)容［5－7］。長期研究發(fā)現(xiàn)，鋁涂層不論涂層封閉與否，在海水、海洋大氣、工業(yè)大氣中，均能保證鋼鐵構(gòu)件在19年內(nèi)不腐蝕［8］。

本文通過氧－乙炔火焰噴涂技術(shù)，在Q235基體上制備鋁涂層，通過表面形貌分析、熱震性測試、鹽水浸泡實驗、極化曲線分析等來研究火焰噴涂鋁涂層的性能，從而加深對鋁涂層的研究，為進一步提高鋁涂層對鋼結(jié)構(gòu)耐腐蝕性能提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

基體材料為Q235鋼，用丙酮清洗基體，除去要噴涂面的污垢，如氧化皮、油脂和塵埃。然后對表面進行噴砂粗化處理，最終得到表面粗糙、清潔的試樣，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。噴涂材料為純鋁絲。

1.2 實驗方法

采用氧－乙炔火焰噴涂方法進行噴涂，噴涂參數(shù):氧氣壓力 0.4 ～0.6 MPa，乙炔壓力 0.05 ～0.07 MPa，空氣壓力 0.4 ～ 0.6 MPa，噴粉距離120～150 mm，噴涂角 60°～90°，預(yù)熱溫度 60 ～100℃，涂層厚度100 ～150 μm。

制取金相試樣，并鑲嵌、磨平、拋光，用金相顯微鏡、體視顯微鏡對噴涂后的試樣進行形貌觀察和分析;將試樣放入箱式電爐中，從150～450℃每隔50℃加熱，保溫30 min后取出空冷，進行熱震性測試。同一試樣經(jīng)反復(fù)加熱冷卻，觀察表面是否有起皮剝落現(xiàn)象。實驗通過在3.5%NaCl溶液中浸泡的方法對涂層的耐蝕性能進行測試。使用極化曲線分析涂層的耐蝕機理。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 表面形貌分析

由圖1可見涂層呈粒片狀的積層。由于高溫粒子和已凝固粒子的粘附，使涂層由許多微粒構(gòu)成，表面凹凸不平較粗糙，存在一些孔隙和凹坑。涂層與基體呈波浪狀冶金結(jié)合，這是由噴砂造成的粗糙度引起的。

涂層厚度大約為150 μm。涂層的厚度直接影響涂層的耐蝕性能、基體的結(jié)合力以及涂層的成本。涂層如果太薄，不易形成完整隔離層，一旦有一處涂層發(fā)生破壞，則整個涂層的耐蝕性能顯著下降;如果太厚，則形變應(yīng)力過大，使涂層發(fā)生剝落［9］。

圖1 鋁涂層表面形貌

2.2 抗熱震性能分析

由表1可知，同一試樣經(jīng)反復(fù)加熱冷卻，發(fā)現(xiàn)Q235表面鋁涂層與基體結(jié)合良好，未發(fā)生起皮剝落現(xiàn)象，表明涂層與基體結(jié)合牢固。

表1 抗熱震性能實驗現(xiàn)象

2.3 耐腐蝕性能分析

2.3.1 鹽水浸泡實驗分析

實驗結(jié)果見表2和圖2。

表2 試樣在3.5%NaCl中性溶液浸泡實驗現(xiàn)象

圖2 浸泡后的數(shù)碼照片

從浸泡實驗的結(jié)果看，鋁涂層提高了Q235鋼基體的耐腐蝕性能。鋁涂層能與氧或含氧氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成致密的“鈍化膜”。這種氧化膜致密堅韌，化學(xué)穩(wěn)定性好，鋁粉顆粒之間緊密接觸，作為一種犧牲陽極來保護基體，而本身氧化物又起一種封閉作用，阻止腐蝕介質(zhì)的滲入［10－11］。鋁涂層首先可以在界面上形成連續(xù)的富鋁區(qū)域，可以作為屏障起到阻礙腐蝕的作用［12］。

2.3.2 極化曲線分析

圖3給出了Q235鋼基體和鋁涂層在3.5%NaCl水溶液中測試的極化曲線。由Tafel擬合曲線可以計算出基體的腐蝕電位(Ecorr)為－792.87 mV，鋁涂層的 Ecorr為 －663.14 mV，兩者相比較鋁涂層大約正移了130 mV;基體的腐蝕電流(Icorr)為90.419 μA/cm2，鋁涂層的 Icorr為 79.287 μA/cm2，可見Q235鋼表面噴涂鋁涂層后耐蝕性得到了較大提高。當(dāng)然最好對鋁涂層進行封孔或者擴散處理，減少涂層的孔隙，提高致密度，以期徹底隔離基體與外界的腐蝕介質(zhì)。

圖3 極化曲線

3 結(jié)論

1)鋁涂層表面凹凸不平較粗糙，且與基體呈波浪狀冶金結(jié)合。

2)Q235鋼經(jīng)火焰噴涂鋁涂層后，基體與涂層結(jié)合牢固，耐腐蝕性能大大提高。

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