某新型航空涂料海洋環境下耐蝕性試驗研究

劉治國，張世錄，李心舒，王莉

（1.海軍航空大學青島校區，青島 266041； 2. 91001部隊，北京 100000）

引言

航空裝備在服役過程中易受環境影響而發生腐蝕問題，主要預防的措施包括防腐蝕結構設計、耐蝕性材料選擇以及涂覆防腐涂層/涂料。其中工程上應用的防腐涂層/涂料主要有環氧樹脂型涂料、橡膠型涂料、聚氨酯類涂料、有機硅類涂料等類型，但上述涂料在高溫、高濕、高鹽霧以及強紫外照射的典型海洋性環境中，也會隨著服役周期延長而發生腐蝕失效，主要表現為龜裂、鼓泡、甚至脫落，喪失其防護能力，涂料腐蝕失效的直接后果是航空裝備結構材料本體開始腐蝕。因此，近年來隨著多型航空裝備開始在沿海或海洋環境下服役，航空裝備防腐涂層/涂料的海洋性服役環境下腐蝕失效行為研究逐漸變得愈發重要[1]，對工程應用而言，該領域研究的主要方向是探究涂料本體在海洋性環境下腐蝕失效的行為規律和腐蝕機理，由此反饋至涂料設計、生產部門，改進其設計理念與生產工藝，最終提高其腐蝕防護水平、延長航空裝備服役壽命、保證航空裝備完好率。

鑒于上述闡述，本文結合某型航空裝備海洋環境適應性研究工作，以其涂覆的新型涂料（電泳加ceO2，下同）為研究對象，根據服役海域海洋環境和仿真加速腐蝕試驗環境譜[2,3]方法設計了加速腐蝕試驗環境條件，依此開展合金鋼基材涂敷該涂料試件8個當量日歷年限[3]下的仿真加速腐蝕試驗，并對每個腐蝕當量日歷年限后的涂料試件再開展電化學腐蝕試驗，在此基礎上，結合腐蝕形貌觀測和電化學阻抗[4]分析技術，對試驗結果進行分析，探究該新型涂料在典型海洋環境下的耐蝕性，為其后續工程應用提供試驗驗證與分析依據。

1 涂料試件仿真加速腐蝕試驗

1.1 仿真加速腐蝕試驗環境條件設計

依據文獻[3]中仿真加速腐蝕試驗環境譜編制方法，對所研對象后續擬服役的地域/海域典型環境因素進行簡化選取、量值統計、作用強度計算分析，設計確定仿真加速腐蝕試驗環境條件如下：①濕熱環境：RH=90 %、溫度T=40 ℃的高溫、潮濕空氣，模擬服役環境中的濕熱環境作用；②介質環境：cl-和S2-介質，5 %Nacl(質量百分比)水溶液摻入稀H2SO4，使其pH=4±0.2，模擬海洋環境中鹽霧和含SO2工業廢氣或酸雨的作用。試驗環境條件的作用強度和作用規律如圖1所示，其物理含義為：在溶液環境中作用1.8 min、溫濕環境中作用10.5 min、相互交替循環335次、累計時間約69 h的腐蝕失效程度，與合金鋼基材涂敷該涂料試件在海洋服役環境中1年的腐蝕失效程度相當。

1.2 試件仿真加速腐蝕試驗

依據圖1的仿真加速腐蝕試驗條件，實驗室采用ZJF-75G周期浸潤腐蝕試驗箱，開展涂料試件仿真加速腐蝕試驗。試件為同批次加工，數量為40件，隨機分為8組，每組5個，留一組不做腐蝕試驗，其余8組分別開展1至8個當量日歷年限的加速腐蝕試驗。試件原始形貌如圖2所示。

圖1 試件仿真加速腐蝕試驗環境條件

圖2 試件原始形貌

每個當量年限試驗完成后，對試件進行清洗，從5個試件中隨機選取典型腐蝕損傷區域，采用采用KH-7700三維顯微鏡對其腐蝕形貌進行觀測。

1.3 試件預腐蝕后電化學試驗

腐蝕形貌觀測完成后，將合金鋼涂敷涂層試件加工成三電極電化學試件，采用普林斯頓4000電化學工作站對試件開展3.5 %（質量百分比）的Nacl溶液標準三電極電化學試驗，測取其阻抗譜。試驗參數為：正弦擾動信號的幅值為10 mV，實驗過程中的阻抗譜測試頻率選取0.01 Hz至100 000 Hz。試件與試驗如圖3所示。

圖3 試件與電化學試驗

2 涂料試件腐蝕形貌演變規律

各個當量年限下試件宏觀腐蝕形貌如圖4所示。

圖4 試件宏觀腐蝕失效形貌

在加速腐蝕試驗過程中，試件表面的涂層在第6個當量日歷年限前，基本沒有腐蝕發生。從第6當量日歷年限開始，試件表面的涂料逐漸發生泛黃變色，至后期第8當量日歷年限，試件邊緣普遍存在涂料掉塊、起泡與脫落的腐蝕失效現象。

3 涂料電化學行為規律

電化學阻抗技術也稱交流阻抗法，是通過控制電化學系統的電流（或電壓），時間按小振幅正弦規律變化，測量電化學系統隨時間相應的電壓（或電流）的變化，或者測量電化學體系的阻抗，進而測量體系（介質/涂膜/金屬）的反應機理、析擬合測量體系的電化學參數[4-6]。

電化學阻抗譜（EIS）是腐蝕科學中一種重要的頻率域研究測試方法，是研究金屬電化學腐蝕動力學、金屬和涂層的腐蝕機制及耐蝕性能的重要方法之一[7,8]。利用電化學阻抗譜技術我們可以得到涂層試件電化學試驗的Nyquist圖譜和Bode圖譜，通過EIS基本特征參數的分析可以大體知道涂層的防護性能變化。將各個周期下電化學試驗結果綜合，得到典型腐蝕周期下涂料試件的Nyquist圖和Bode圖的演變規律，分別見圖5所示。

圖5 涂料阻抗譜分析

4 分析與討論

從EIS基本圖譜中分析我們看到，第二周期時電泳加ceO2粉體涂料試件Nyquist圖呈現出雙容抗弧。隨著實驗周期數的增加，涂料容抗弧逐漸下降，且下降的趨勢逐漸變緩，說明電泳加ceO2粉體涂料防護性能在腐蝕環境下還具有一定緩沖能力。

具體來說，涂料低頻阻抗模值|Z|0.1Hz約等于溶液電阻、微孔電阻、以及電荷轉移電阻之和，也可以用低頻模值|Z|0.1Hz來有效評價涂層的防護性能。電泳加ceO2粉體涂料低頻下的阻抗模值|Z|0.1Hz從第2周期狀態下的4.46×104Ω·cm2到第8周期時為2.10×104Ω·cm2，說明涂料的防護性能呈下降趨勢變化。但在整個腐蝕周期內，Nyquist圖上未發現與x軸成大約45 °角的擴散阻抗尾，說明涂料防護性能雖有下降，但整體防護性能較為穩定。

上述低頻模值的變化趨勢，與涂料整體宏觀腐蝕過程相聯系來看，電泳加ceO2粉體涂料電在腐蝕過程中表面沒有發生剝落現象，溶液中的各種離子不易滲透到涂層內部導致腐蝕反應發生，但第6周期到第8周期時阻值有大幅度下降趨勢，是由于涂層表面出現多處蝕坑，邊角腐蝕嚴重，涂層吸水能力增強，腐蝕速率上升，各種離子滲入涂層內部導致涂料防護性能下降。

5 結論

為探究新型電泳加ceO2粉體涂料海洋環境下腐蝕防護性能，對該涂料試件分別開展了8個當量年限的加速腐蝕實驗和預腐蝕試驗后的電化學試驗，結合涂料試件外觀腐蝕形貌變化和電化學阻抗譜技術，探究涂料的腐蝕行為和防護性能，研究發現：

1）涂料在加速腐蝕試驗前6個周期內基本沒有腐蝕發生。第6周期后至第8周期，試件表面的涂料逐漸發生泛黃變色，試件邊緣涂料發生掉塊與脫落的腐蝕現象。

2）涂料低頻下的阻抗模值|Z|0.1Hz從第2周期狀態下的4.46×104Ω·cm2降為第8周期時為2.10×104Ω·cm2，說明涂料的防護性能在整個腐蝕周期內呈下降趨勢變化。

3）Nyquist圖上未發現與x軸成大約45 °角的擴散阻抗尾，說明涂料防護性能雖有下降，但整體防護性能較為穩定。