X射線光電子能譜檢測熱噴涂鋅鋁合金防腐性能的研究

嚴 彪, 張 晴, 嚴鵬飛, 趙冠楠

(同濟大學 材料科學與工程學院 上海市金屬重點實驗室, 上海 201804)

X射線光電子能譜檢測熱噴涂鋅鋁合金防腐性能的研究

嚴 彪, 張 晴, 嚴鵬飛, 趙冠楠

(同濟大學 材料科學與工程學院 上海市金屬重點實驗室, 上海201804)

鋅鋁合金可用作為風力發電裝置的防腐材料.采用X射線光電子能譜(XPS)研究了由熱噴涂方法制備的不同含量鋁鋅合金制得的TJPTZA1#、TJPTZA2#、TJPTZA3#和TJPTZA4#合金的防腐蝕性能,探究了合金與基體界面處的物質成分.使用能譜檢測手段探索了界面處的元素成分及其含量,從而為以上合金的防腐性能研究提供依據.

鋅鋁合金;X射線光電子能譜; 防腐性能

0 前 言

人們在經歷全球化快速發展的同時,也面臨著能源危機和環境污染等問題的挑戰.因而核能、風能等新型無污染能源越來越受到人們的重視.其中風能在我國中西部地區有著巨大的潛在開發價值,可在很大程度上解決供能不夠和大氣污染等問題.然而隨著工業化的發展,不斷要求機械設備能在高參數(高溫、高壓、高速、高度自動化)和惡劣工況條件下(如嚴重的磨損和腐蝕等)長期穩定地運轉,因此,需要提高材料表面的耐腐蝕、耐磨及耐熱等性能.用高級合金材料制造整體設備及零件以達到表面防護和表面強化的目的,很不經濟,甚至難以實現.所以,研究和發展材料的表面處理技術具有重大的意義[1].

熱噴涂技術作為一種新的表面防護和表面強化工藝,在近十多年的時間里得到了高速發展.熱噴涂技術由早期制備一般的防護性涂層發展到制備各種功能性涂層;由產品的維修發展到大批量的產品制造;由單一涂層發展到包括產品失效分析、表面預處理、噴涂材料和設備的選擇、涂層系統設計和涂層后加上在內的熱噴涂系統工程.而且這種轉變是由使用條件最苛刻和要求最嚴格的宇航工業開始,迅速向民用工業部門擴展開來.其中,鋅鋁合金熱噴涂應用于風力發電的防腐受到了極大的關注[2].

XPS(X射線光電子能譜儀)可以很好地解決元素的化學價態、化合物結構鑒定等問題,從而推斷出界面處的腐蝕狀況.

1 試驗原理及條件

1.1 試驗原理

試驗采用英國VG公司的MICROLAB,MKII多功能表面分析儀.它擁有俄歇電子能譜(AES)、XPS和二次離子質譜(SIMS).細束徑(50 nm)電子槍結合Ar+刻蝕,AES具有很高的橫向和縱向分析能力;半球型電子能量分析儀及限束孔徑使得XPS具有優異的靈敏度和分辨率,并能實現小區(約250 nm)XPS分析.用一束荷能電子、光子或離子撞擊固體表面,對應的檢測并紀錄從樣品表面發射的俄歇電子、光電子或二次電子,即可獲得AES、XPS或SIMS,其特點是近獲取來自固體表面幾個原子層的信息.

1.2 試驗樣品及試驗條件

試驗樣品:Al、Zn、TJPTZA1#、TJPTZA2#、TJPTZA3#和TJPTZA4#(含鋅質量分數15%～45%,含鋁質量分數85%～55%).所有樣品用金相砂紙打磨.

XPS可進行表面元素組分、元素價態、電子態和結構的分析.由于XPS本用作表面價態分析,試驗采用先把熱噴涂層逐層磨去,并測出距離界面不同位置的價態.如圖1所示.

測試位置分別距離界面231,100,10,4,-1和-6 μm處.待測樣品用丙酮超聲波清洗2次.

試驗樣品尺寸:10 mm×10 mm.

測試條件:分析室真空2×10-9Pa;X源,MgKa,300 W.

真空Ar+刻蝕條件:AG 21,5 kV,20 μA,表面分析3 min(約2 nm),之后2 min(約5 nm).

圖1 樣品示意圖

2 結果與分析

2.1 距界面231 μm(即外表面)的試驗結果

圖2為試驗樣品采用Ar+刻蝕前和刻蝕3 min的能譜圖.

圖2 距界面231 μm處Ar+刻蝕前后的能譜圖Fig.2 Energy spectrum without Ar+ etching and with Ar+ etching for 3 min at 231 μm from interface

從圖2中可以看出,Al樣品表面未檢測到Zn;Zn樣品表面未檢測到Al;其余樣品均有Zn、Al;除Zn外,樣品表面都有微量Cl,大量C和O;所有樣品表面都無Fe;表面Al的含量Al最高,TJPTZA1#最低,Zn沒有,TJPTZA2#至TJPTZA4#逐漸升高;表面Zn含量TJPTZA1#和Zn相當,TJPTZA2#和TJPTZA3#相當,TJPTZA4#最少.樣品表面的元素能量(eV)以C1s=284.6 eV標定.Zn和Al都處于氧化態.

樣品表面元素原子質量分數按下式計算:

式中:Ax為元素X峰強度;Sx為元素X靈敏度因子,SZn=1.0,SO=0.66,SC=0.25,SAl=0.185,SCl=0.73.

樣品表面的結合能以及元素價態見表1.

表1 樣品表面結合能及元素價態

圖3為試驗樣品經Ar+刻蝕前、后的ZnLM譜圖.從圖3(a)中可以看到,Ar+刻蝕前,TJPTZA1#和Zn中Zn的價態比較接近,以Zn(OH)2居多.含Al較多的樣品TJPTZA2#、TJPTZA3#、TJPTZA4#的價態比較接近,以ZnO居多.從圖3(b)中可以看出,Ar+刻蝕后(約2 nm)防腐蝕效果較好的TJPTZA2#、TJPTZA3#樣品結合能相近,基本上都是ZnO.TJPTZA1#和Zn結合能相近,含Zn(OH)2較多.而在試樣TJPTZA4#中還可能含有較多的3Zn(OH)2·2ZnO.

圖3 Ar+刻蝕前、后的ZnLM譜圖Fig.3 Energy spectrum of ZnLM etching

2.2 試樣TJPTZA3#的檢測結果

圖4為距離界面100 μm的熱噴涂層上Fe、Al和Zn的能譜圖.從圖4(a)中可以看出熱噴涂層上沒有Fe.從圖4(b)中可以看出Al大部分以Al2O3的形式存在,同時也有少量的Al單質.從圖4(c)中可以看出Zn都以Zn單質的形式存在.

圖5為距離界面10 μm的熱噴涂層上Fe、Al和Zn的能譜圖.從圖5(a)中可以看出,Fe大多是Fe2O3,同時也有一定量的Fe單質.從圖5(b)中可以看出,Al大部分以Al2O3的形式存在,同時也有少量的Al單質.從圖5(c)中可以看出,Zn基本上都是以ZnO和Zn(OH)2的形式存在.

圖6為距離界面4 μm處的熱噴涂層上Fe、Al和Zn的能譜圖.從圖6(a)中可看出Fe多數以Fe2O3形式存在,同時有一定量的Fe單質.從圖6(b)中可以看出,Al基本都是以Al2O3形式存在.從圖6(c)中可以看出,Zn基本都是以ZnO形式存在.

圖4 距離界面100 μm處的能譜圖Fig.4 Energy spectrum of 100 μm from the interface

圖5 距離界面10 μm處的能譜圖Fig.5 Energy spectrum of 10 μm from the interface

圖6 距離界面4 μm 處的能譜圖Fig.6 Energy spectrum of 4 μm from the interface

圖7 距離界面-1 μm處的能譜圖Fig.7 Energy spectrum of -1 μm from the interface

圖8 距離界面-6 μm處的能譜圖Fig.8 Energy spectrum of -6 μm from the interface

圖7為距離界面-1 μm(即已經進入Fe基體1 μm)的熱噴涂層上Fe、Al和Zn的能譜圖.從圖7(a)中可看出Fe大多數是以Fe2O3形式存在,同時有Fe單質.從圖7(b)中可以看出,Al大多數是以Al2O3形式存在,其含量已經很少.從圖7(c)中可以看出,Zn大多數是以ZnO3形式存在,同時其含量減少.

圖8為距離界面-6 μm處(已經進入Fe基體6 μm)的熱噴涂層上Fe、Al和Zn的能譜圖.從圖8(a)中可看出,Fe大多數是以Fe2O3形式存在,同時含有很少的Fe單質.相對上一層,Fe2O3含量進一步增加,Fe單質含量進一步減少.從圖8(b)中可以看出,Al大多數是以Al2O3形式存在,同時其含量已經極少.從圖8(c)中可以看出,Zn基本上都是以ZnO、Zn(OH)2形式存在.

3 結 論

(1) Al樣品表面Al的含量最高,TJPTZA1#最低,Zn沒有,TJPTZA2#至TJPTZA4#逐漸升高;表面Zn含量TJPTZA1#和Zn相當,TJPTZA2#和TJPTZA3#相當,TJPTZA4#最少.

(2) TJPTZA1#和Zn中Zn的價態比較接近,以Zn(OH)2居多.而含Al比較多的樣品TJPTZA2#、TJPTZA3#和TJPTZA4#的價態比較接近,以ZnO居多.

(3) 距離界面不同位置處,成分稍有不同.距界面100 μm處,Al主要為Al2O3,Zn為單質;距界面10 μm處,Al主要為Al2O3,Zn主要為ZnO、Zn(OH)2;距界面4μm處,Fe主要為Fe2O3,Al主要為Al2O3,Zn主要為ZnO;距界面-1 μm處,主要為Fe2O3、Al2O3,Zn主要為ZnO3;距界面-6 μm處,主要為Fe2O3,且其含量增多,Al主要為Al2O3.

[1]王永兵,劉湘,祁文軍,等.熱噴涂技術的發展和應用[J].電鍍與涂飾,2007,26(7):52-55.

[2]袁濤,賀定勇,姜建敏.鋼結構熱噴涂長效防腐蝕技術的研究與發展[J].腐蝕與防護,2008,29(4):207-210.

StudyonCorrosionofZinc-aluminumAlloysPreparedbyThermalSpraywithX-rayPhotoelectronSpectroscopy

YANBiao,ZHANGQing,YANPeng-fei,ZHAOGuan-nan

(ShanghaiKeyLaboratoryofMetal,SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

Zinc-aluminum alloy can be used as the anticorrosive material in the wind power equipment.The microstructure and properties of the zinc-aluminum alloys (TJPTZA1#,TJPTZA2#,TJPTZA3#and TJPTZA4#) obtained by thermal spray were analyzed and the material composition at the interface between the alloy and base body was explored.The composition and its content at the interface were inspected using spectroscopy,which provides evidence for the anticorrosive study of the alloys.

Zinc-aluminum alloys; XPS; the property of resisting corrosion

1005-2046(2014)03-0100-05

10．13258／j．cnki．snm．2014．03．002

2014-05-16

嚴 彪(1961-)，男，教授，博士生導師，主要從事金屬材料的表面處理等方面的研究.E-mail：84016@qongji.edu.cn

TG174.442

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