基于PSD曲線的軍用車輛有機涂層防護性能研究

周慧，徐安桃，封會娟，魏駿逸

基于PSD曲線的軍用車輛有機涂層防護性能研究

周慧a，徐安桃a，封會娟a，魏駿逸b

（陸軍軍事交通學院 a. 軍用車輛工程系 b. 學員五大隊研究生隊，天津 300161）

研究兩種軍用車輛有機涂層的防腐蝕性能。利用兩種軍用車輛有機涂層作為樣本，以濕熱、紫外、中性鹽霧、酸性鹽霧為4個環境因子，組合成多因子綜合腐蝕試驗，用電化學噪聲頻域分析處理試驗數據，對比研究兩種車輛裝備涂層的防腐蝕性能。10個周期之后，兩種涂層均完全破壞，其中，灰色有機涂層H的初始狀態為9.55×108Ω/cm2，9個周期之后降低了2個數量級，為1.3×106Ω/cm2；金屬漆涂層的初始狀態為1.8×109Ω/cm2，9個周期之后減小1個數量級，為3.62×108Ω/cm2。曲線斜率i的變化趨勢與噪聲強度相反，在腐蝕速率快的時候，斜率變小，表現在圖像上為直線更陡；與之相反，腐蝕速率慢的時候曲線斜率變大，變得更為平緩。金屬漆涂層的防護性能優于灰色有機涂層。

涂層；腐蝕；電化學噪聲；PSD

目前，在有機涂層腐蝕研究領域，絕大多數的測量方法都是在工作電極的表面施加某一電壓、電流信號，進而測量參比電極和輔助電極上的電流電壓信號，通過分析根據這些信號得到的響應函數，來研究電極反應的速率、影響因素和狀態機理[1]。在工作電極的表面施加擾動信號以后，或多或少都會影響到腐蝕反應的電位電流信息，因此，腐蝕防護領域一直在尋找一種無損無干擾的直接測量技術。電化學噪聲便是這樣一種測量方法。電化學噪聲（Electrochemical Noise, EN），是指電化學反應進行過程中，反應系統的電化學參量（如電極電位、外測電流等）隨時間發生的非平衡態隨機波動現象[2]。

為了將電流、電位噪聲譜聯系起來，Xiao H，Mansfeld F等人定義了譜噪聲函數sn()[3]，如式（1）所示。

式中：FFT()和FFT()分別為經過快速傅里葉變換得到的電位和電流噪聲函數；PSD()和PSD()分別為電位和電流功率譜密度[4]。譜噪聲電阻為譜噪聲函數的低頻極限值[5]，即：

1 試驗

1.1 試樣

試驗所用試樣取自現役車輛裝備兩種涂層，分別為灰色有機涂層和金屬漆涂層。基板材料為Q/BQB403/ST14冷軋低碳鋼板，規格為60 mm× 60 mm×1 mm。

1.2 加速腐蝕試驗及測試流程

本加速腐蝕試驗共9個循環，每個循環參數設置如圖1所示。相關參數設置以我國南部沿海地區的平均氣候參數為基準，并參考了美空軍F-18飛機涂層加速腐蝕試驗標準（CASS）和國軍標[9]。

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

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

3）耐中性鹽霧試驗，1個耐受周期為92.4 h。試驗條件：溫度為(35±2) ℃，每小時鹽霧沉降速率為1~2 mL/80 cm2，NaCl溶液的質量分數為5%。

4）耐酸性鹽霧試驗，1個耐受周期為75.6 h。試驗條件：溫度為(35±2) ℃，每小時鹽霧沉降速率為1~2 mL/80 cm2，NaCl溶液的質量分數為5%。

以上為1個周期的試驗內容。

圖1 涂層多因子綜合環境加速腐蝕試驗流程

2 結果及分析

2.1 電化學噪聲頻域分析

圖2 灰色有機涂層H譜噪聲函數頻域譜

圖3 兩種涂層譜噪聲電阻隨周期的變化規律

2.2 通過線性擬合PSD圖譜評價涂層防護性能

文中利用Hanning窗函數去除直流趨勢的電化學噪聲信號作快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT），得到電流功率譜密度曲線，如圖4所示。Zhang Tao和Li Liu等分別研究了AZ91D鎂合金和奧氏體不銹鋼的腐蝕行為，利用式（3）對電流噪聲進行了研究。

式中：i為電流噪聲強度；i為功率譜密度曲線高頻段斜率。i與工作電極的腐蝕速率有關，i與噪聲暫態峰壽命有關，能夠描述腐蝕過程中金屬的鈍化及再鈍化信息[14]。

圖4 兩種涂層各個周期的電流功率譜密度（PSD）曲線

為了更好地分析兩種涂層的PSD曲線，利用式（3）對每個試驗周期之后的電流噪聲PSD曲線進行擬合，得到相應的參數i和i[15]，見表1。

表1 灰色有機涂層和金屬漆涂層譜的PSD曲線擬合結果

噪聲強度i的值可以反映出腐蝕強度的大小，i越大，表示涂層腐蝕速率越快[16]。從表1中可以看出，灰色有機涂層的電流噪聲度明顯高于金屬漆涂層，說明金屬漆涂層的防護性能優于灰色有機涂層，腐蝕性粒子Cl?在灰色有機涂層的滲透速度快于金屬漆涂層[17]。在第1、2周期之后，兩種涂層的i值都呈現減小趨勢。由于金屬漆涂層可以生成致密的鈍化膜[18]，在第3、5、6周期，防護性能都有小幅度提升。灰色有機涂層在3、5、7周期的噪聲強度變小，可能與其腐蝕產物堵塞離子通道有關[19]。曲線斜率i的變化趨勢與噪聲強度相反，在腐蝕速率快的時候，斜率變小，表現在圖像上為直線更陡；相反地，腐蝕速率慢的時候斜率變大，曲線變得更為平緩[20]。

3 結論

2）通過擬合電流功率譜密度圖譜，得到了噪聲強度i和高頻段斜率i。兩種涂層的噪聲強度都在第2、3周期的時候達到最大值，金屬漆涂層的噪聲強度明顯小于灰色有機涂層；曲線斜率i的變化趨勢與噪聲強度相反。

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Research on Protective Performance of Organic Coatings for Military Vehicles Based on PSD Curve

ZHOU Huia, XU An-taoa, FENG Hui-juana, WEI Jun-yib

(a. Military Vehicle Engineering Department, b. Postgraduate Training Brigade, Fifth Team of Cadets, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

In order to study the anti-corrosion performance of organic coatings on two military vehicles, this paper takes two kinds of military vehicle's organic coatings as samples to carry out multi-factor comprehensive corrosion test with four environmental factors of damp heat, ultraviolet, neutral salt spray and acid salt spray. The experimental data are processed by electrochemical noise frequency domain analysis, and the anti-corrosion performance of the two coatings are compared and analyzed. After 10 cycles, both coatings are completely destroyed. Among them, the initial state of gray organic coating H is in 9.55×108Ω/cm2, and after 9 cycles, it is reduced by two orders of magnitude to 1.3×106Ω/cm2; the initial state of the metallic paint coating is 1.8×109Ω/cm2, and after 9 cycles, it is reduced by 1 order of magnitude to 3.62×108Ω/cm2. The change trend of curve slopeiis opposite to the noise intensity. When the corrosion rate is fast, the slope becomes smaller and the line is steeper on the image. Conversely, when the corrosion rate is slow, the slope becomes larger and the curve becomes more gentle. Therefore, the protective performance of metallic coating is better than that of gray organic coating.

coating; corrosion; electrochemical noise; PSD

2020-10-28；

2020-12-05

ZHOU Hui (1994—), Male, Master, Assistant, Research focus: vehicle equipment corrosion and protection.

徐安桃（1964—），男，博士，教授，主要研究方向為車輛裝備腐蝕與防護。

Corresponding author：XU An-tao (1964—), Male, Ph.D., Professor, Research focus: vehicle equipment corrosion and protection.

周慧, 徐安桃, 封會娟,等.基于PSD曲線的軍用車輛有機涂層防護性能研究[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 128-132.

TG174.4

A

1672-9242(2021)04-0128-05

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.019

2020-10-28；

2020-12-05

周慧（1994—），男，碩士，助教，主要研究方向為車輛裝備腐蝕與防護。

ZHOU Hui, XU An-tao, FENG Hui-juan, et al. Research on protective performance of organic coatings for military vehicles based on PSD curve [J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 128-132.