車輛裝備涂層局部微小破損對防護(hù)性能 的影響研究

徐安桃，周慧，封會(huì)娟，魏駿逸

（陸軍軍事交通學(xué)院 a.軍用車輛工程系 b.學(xué)員五大隊(duì)研究生隊(duì)，天津 300161）

車輛裝備在海上投送、搶灘登陸等過程中，難免受到嚴(yán)峻海洋環(huán)境的腐蝕，其特有的高溫、高濕、高紫外、高鹽霧等腐蝕因素給關(guān)鍵部件及其涂層的保養(yǎng)與維護(hù)帶來了極大的考驗(yàn)[1]。例如，我國某駐海外電力工程項(xiàng)目的鋁基設(shè)備，經(jīng)過40 d的海洋輪船運(yùn)輸之后，表面出現(xiàn)大面積的“白斑”，甚至是“粉末”[2]；國產(chǎn)汽車制造商在新車出口的整個(gè)流程中（約40～50 d），在沿海港口、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)雀g性環(huán)境的作用之下，其外部裸露的鋼結(jié)構(gòu)表面也會(huì)產(chǎn)生難以避免的腐蝕[3]。

以上現(xiàn)象都證實(shí)了近海或海洋環(huán)境會(huì)給裝備的腐蝕防護(hù)問題帶來巨大的威脅，如若防腐措施處理不當(dāng)，裝備會(huì)出現(xiàn)技術(shù)參數(shù)不達(dá)標(biāo)，甚至嚴(yán)重的安全事故問題[4]。對軍事裝備運(yùn)輸而言，特別需要注意的是在地點(diǎn)轉(zhuǎn)換過程中，往往需要使用滾裝船[5]、登錄船[6]、船塢登陸艦[7]、兩棲攻擊艦[8]、兩棲車輛裝備[9]等進(jìn)行投放，被運(yùn)裝備難免受到擠壓、碰撞、劃傷、擦傷等外部物理損傷。在裝卸彈藥、器材、物資以及人員上下車輛的過程中，也容易將表層涂層破壞[10]。如果維護(hù)不及時(shí)、不到位，腐蝕介質(zhì)很容易直接接觸基體金屬，腐蝕基體金屬并降低材料的防護(hù)能力[11]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣

試樣為60 mm×60 mm×1 mm的某型車輛裝備涂層現(xiàn)切樣品。張帆[12]研究了車輛裝備在不同破損程度下的防護(hù)性能。定義K為涂層破損率，如式（1）所示：

式中：Sp為涂層破損面積；S為涂層工作面積。 張帆經(jīng)過檢測之后發(fā)現(xiàn)，車輛裝備涂層在破損率小于0.0016%的時(shí)候，其仍然能夠起到一定的防護(hù)作用；當(dāng)涂層破損率大于0.0256%的時(shí)候，其自腐蝕電位為-0.56 V，防護(hù)能力大大下降。綜上所述，對于破損涂層而言，當(dāng)其破損率大于0.0016%時(shí)，涂層已經(jīng)開始失去對基底金屬的防護(hù)能力，對這類涂層進(jìn)行周期腐蝕試驗(yàn)將不存在現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值。因此，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，文中定義破損率0.0016%為涂層微小破損，研究涂層在微小破損情況下的腐蝕防護(hù)行為，為用裝單位的維護(hù)保養(yǎng)提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1.2 加速腐蝕實(shí)驗(yàn)及測試流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)置為9個(gè)周期，流程如圖1所示。以美國空軍F-18飛機(jī)涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜（CASS）和GJB 150.11A—2009為依據(jù)，選擇并提取了濕熱、紫外、中性和酸性鹽霧四種環(huán)境因素，以我國南部沿海島嶼氣候條件為典型，進(jìn)行綜合環(huán)境加速腐蝕試驗(yàn)[13]。具體條件如下所述。

1）耐濕熱試驗(yàn)，1個(gè)周期為168 h。試驗(yàn)條件：相對濕度為95%～100%，溫度為43 ℃。

2）耐紫外線試驗(yàn)，1個(gè)輻照周期為47.4 h。試驗(yàn)條件：輻照度E=(60±10) W/m2，溫度為(50±3) ℃。

3）耐中性鹽霧試驗(yàn)，1個(gè)耐受周期為92.4 h。試驗(yàn)條件：溫度為(35±2) ℃，每小時(shí)鹽霧沉降速率為1～2 mL/80 cm2，NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

4）耐酸性鹽霧試驗(yàn)，1個(gè)耐受周期為75.6h。試驗(yàn)條件：溫度為(35±2) ℃，每小時(shí)鹽霧沉降速率為1～2 mL/80 cm2，NaCl溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。

以上為1個(gè)周期的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容[14]。

在每個(gè)循環(huán)試驗(yàn)之后，采用電化學(xué)阻抗譜（EIS）的方法進(jìn)行測試，其測試溶液為3.5%NaCl溶液，溫度設(shè)置為室溫[15]。

圖1 多因子綜合環(huán)境下的涂層加速腐蝕實(shí)驗(yàn)流程 Fig.1 Experimental process of coating accelerated corrosion under multi-factor comprehensive environment

2 結(jié)果及分析

綜合環(huán)境下軍綠完好涂層A的EIS特征譜如圖2所示。圖2a為Nyquist圖，可以看出，試驗(yàn)前期數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一定的漂移現(xiàn)象。在第3周期，曲線為一條與豎坐標(biāo)軸平行的直線。可以得出，此時(shí)溶液還沒有浸入到基體金屬，只是處于浸入涂層的過程中，容抗弧的大小與水分的浸入程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。之后的實(shí)驗(yàn)中，涂層腐蝕程度逐步加重，低頻漂移數(shù)據(jù)幅度變小，Nyquist容抗弧半徑逐漸減小，并且下降幅度較大。第明此4時(shí)周期H之2O后、，C l N-、yq H u+i s等t圖粒出子現(xiàn)已了經(jīng)到2達(dá)個(gè)介時(shí)間質(zhì)常表數(shù)面，，說并與金屬發(fā)生了反應(yīng)，第2個(gè)電極反應(yīng)已經(jīng)開始[16]。在第5、6實(shí)驗(yàn)周期，涂層的2個(gè)容抗弧特征越來越明顯，并且容抗弧半徑不斷減小，試樣電容、電阻特性開始并存，可能是由于電解質(zhì)溶液與涂層組分中的缺陷它和的空滲泡入相會(huì)比直，接擁改有變更這小2的個(gè)電參阻數(shù)和[17]更。在大第的7介周電期常的數(shù)時(shí)，候，曲線出現(xiàn)明顯的Warburg擴(kuò)散尾，這是由于涂層在制造的時(shí)候，會(huì)添加大量的顆粒物和顏料等來阻止電解質(zhì)溶液的滲透。正是由于這些顏料和顆粒物的存在，使電解質(zhì)溶液在滲透的過程中只能順著顆粒與顆粒之間的縫隙緩慢前進(jìn)，電解質(zhì)溶液在滲透過程中，其濃度梯度的遞近方向與腐蝕反應(yīng)的傳質(zhì)方向不平行，導(dǎo)致“切向擴(kuò)散”的發(fā)生。在第8、9周期，涂層容抗弧半徑不斷減小，與腐蝕中期相差較大，說明此時(shí)涂層已經(jīng)基本失去了對基底金屬的保護(hù)能力[18]。

圖2b、c分別為軍綠完好涂層A的Bode圖相位角和阻抗模值。在腐蝕初期（即1—3周期）涂層相位角基本上處于70°～90°之間，低頻阻抗模值|Z|0.1Hz處于1010Ω·cm2數(shù)量級，在100 mHz～100 kHz之間基本呈現(xiàn)出一條k= -1的直線。說明此時(shí)涂層的電容性明顯大于電阻性，防腐蝕性較好。進(jìn)入腐蝕中期（4— 6周期）以后，涂層低頻區(qū)相位角下降幅度較大，相位角曲線不再是一條基本與x軸平行的折線，而是變?yōu)槭茴l率影響較大、由小變大的曲線，|Z|0.1Hz值由1010Ω·cm2減小至107～108Ω·cm2數(shù)量級。在高頻段，阻抗譜曲線重疊在一起，說明了電解質(zhì)溶液已經(jīng)完全滲入了涂層內(nèi)部，涂層吸水率已經(jīng)達(dá)到了飽和的狀態(tài)。腐蝕后期（7—9周期），低頻相位角和低頻阻抗模值不斷降低。在9個(gè)循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束之后，低頻相位角已經(jīng)接近于0°，|Z|0.1Hz下降到106Ω·cm2以下，說明涂層的防腐性能有了極大幅度的下降。

圖2 綜合環(huán)境下軍綠完好涂層A的EIS特征譜 Fig.2 EIS characteristic map of military green intact coating A in a comprehensive environment: a) Nyquist diagram; b) Bode diagram (phase angle); c) Bode diagram (impedance modulus)

圖3 多因子綜合環(huán)境下軍綠破損涂層LP1的EIS特征譜 Fig.3 EIS characteristic map of military green damaged coating LP1 under multi-factor comprehensive environment: a) Nyquist diagram; b) Bode diagram (phase angle); c) Bode diagram (impedance modulus)

多因子綜合環(huán)境下，軍綠破損涂層LP1的EIS特征譜如圖3所示。可以看出，相比完好涂層L1，在試驗(yàn)前期涂層只呈現(xiàn)出了部分電容性質(zhì)，涂層在破 損初始狀態(tài)的容抗弧不再與頻域橫軸相垂直，并且從第2周期開始就不再呈現(xiàn)單容抗弧特征。相位角在初始狀態(tài)和前2個(gè)周期呈現(xiàn)低頻大、高頻小的特點(diǎn)，并且初始狀態(tài)的相位角曲線與完好涂層的第6、7周期曲線相似，說明破損率為0.0016%狀態(tài)下的涂層防護(hù)性能已經(jīng)有了較為嚴(yán)重的下降[19]。在第3周期的時(shí)候，容抗弧開始出現(xiàn)半圓，半徑明顯減小，相位角則變?yōu)榈皖l小、高頻大，涂層完好的部分與破損部分形成了2個(gè)時(shí)間常數(shù)。從第4周期以后，容抗弧在低頻部分開始出現(xiàn)不同程度的“鉤”型特征，說明涂層的局部破損導(dǎo)致電極體系對頻率變得極為敏感[20]。整體上來看，容抗弧隨著試驗(yàn)周期的進(jìn)行不斷減小，相位角出現(xiàn)了飄忽不定的周期性變化情況，說明破損部分隨著腐蝕周期的變化發(fā)生了“鈍化—溶解—再鈍化—再溶解”的周期性變化，低頻阻抗模值|Z|0.1Hz則在一定程度上表現(xiàn)出了涂層整體的防腐性能變化情況，初始狀態(tài)為1.2×105Ω·cm2，9個(gè)腐蝕周期之后為5.7×103Ω·cm2，下降了2個(gè)數(shù)量級[21]。

3 結(jié)論

經(jīng)過9個(gè)周期的腐蝕試驗(yàn)，完好涂層與破損涂層的防護(hù)性能均出現(xiàn)了大幅度的下降。破損涂層在腐蝕初期更多地表現(xiàn)出電容性質(zhì)，其在試驗(yàn)初期的防護(hù)能力大約相當(dāng)于完好涂層經(jīng)歷6～7次循環(huán)試驗(yàn)之后的防護(hù)能力。其中，破損涂層的容抗弧隨著試驗(yàn)周期的進(jìn)行不斷減小，相位角出現(xiàn)了飄忽不定的周期性變化情況，破損部分隨著腐蝕周期的變化呈現(xiàn)“鈍化—溶解—再鈍化—再溶解”的周期性變化規(guī)律。