底盤發動機排煙管高溫涂料耐腐蝕性能對比分析與應用

郭強，李海峰

底盤發動機排煙管高溫涂料耐腐蝕性能對比分析與應用

郭強，李海峰

（北京機械設備研究所，北京 100854）

針對底盤發動機排煙管在某海洋大氣環境中腐蝕防護難度大的問題，對4種高溫涂料進行耐腐蝕性能對比分析與應用。分別采用試片高溫試驗、戶外暴露試驗和排煙管實裝實地驗證等方法對3種改性有機硅、1種無機硅酸鹽共4種高溫涂層的耐高溫、耐腐蝕性能及應用效果進行測試與分析。高溫涂層試片的高溫試驗、戶外暴露試驗結果表明，3種改性有機硅涂層600 ℃的耐高溫性能、耐腐蝕性能優于無機硅酸鹽涂層，但試片經600 ℃高溫燒蝕后進行戶外暴露試驗的結果表明，石墨摻雜有機硅涂層耐蝕性優于其余3種涂層，無機硅酸鹽涂層優于氟樹脂改性有機硅、環氧改性有機硅涂層。排煙管實裝實地驗證試驗則表明，石墨摻雜有機硅涂料受到高溫氧化、降水冷卻、常溫腐蝕等頻繁交替作用下，腐蝕較快，氟樹脂改性有機硅涂層的防護性較好，環氧改性有機硅涂層在高溫區域腐蝕明顯，無機硅酸鹽涂層中鋅粉和鑄鐵基體存在明顯腐蝕。相對于傳統的銀粉漆，4種高溫涂層顯著改善了排煙管的腐蝕防護性能。在上述4種試驗條件下，4種高溫涂層的耐高溫、耐腐蝕等性能各有優劣，需要根據4種涂層各自的性能不足進行改進。在實際工況條件下，氟樹脂改性有機硅耐涂層滿足發動機排煙管在某海洋大氣環境中不低于1 a免維護的使用要求，其他2種有機硅涂層、1種無機硅酸鹽涂層則需要一定程度維護。

高溫涂料；排煙管；耐腐蝕；耐高溫

某海域具有高溫、高濕、高鹽霧、強紫外輻射、多降水、多臺風等極端海洋環境特征，金屬具有最高等級的腐蝕速率，高溫部件腐蝕速率更快[1-2]。高溫部件腐蝕是熱帶海洋大氣中長期難以解決的問題。車輛底盤發動機尾氣最高溫度可達到600 ℃[3]，排煙管與發動機連接，排煙管長時間承受高溫、常溫腐蝕的交替作用，高溫環境與極端海洋大氣環境相互協同，加速了電化學腐蝕速率。海洋環境中大量的氯化物增加了電導率，提高了高溫腐蝕速率，高溫環境加速了腐蝕產物的轉化和涂層剝落，也加快了腐蝕速率[4-5]。底盤發動機排煙管傳統防護手段是采用耐高溫銀粉漆保護，雖耐高溫性能好，但涂層孔隙率高、耐蝕性較差，在熱帶海洋大氣環境易發生腐蝕，在使用1個月后會出現大面積腐蝕現象。開發應用高性能的耐高溫抗腐蝕涂料是解決這一問題的必要途徑。

耐高溫涂料主要包括無機耐高溫涂料、有機耐高溫涂料等類型[6-12]。有機硅耐高溫涂料耐高溫性能最好，是目前應用最廣的有機高溫涂料[13-16]，但污染性較大。無機耐高溫涂料是環境友好型涂料，利于現場涂裝和修復，主要包括硅酸乙酯、硅酸鹽、硅溶膠和磷酸鹽等4種類型高溫涂料[17-22]，其中硅酸鹽耐高溫涂料因具有耐熱性好、耐候性好、性價比高等優點，成為無機涂料重要發展方向[23-24]。雖然很多高溫涂料在實驗室中的耐高溫耐腐蝕性能較好，但在實際工程中應用卻往往效果不佳。報道發動機排煙管高溫涂料的文獻資料較少，尤其是在熱帶海洋環境中的排煙管高溫涂料更少。

為提高發動機排煙管在高溫、海洋大氣等極端環境的適應能力，本文選取摻雜不同顏填料的3種改性有機硅涂料、1種無機硅酸鹽富鋅涂料共4種耐高溫耐腐蝕性能優異涂料，開展戶外暴露試驗和實裝實地耐蝕性能試驗對比工作，為發動機排煙管選取優異的耐高溫涂料提供數據支撐，滿足其在熱帶海洋環境中長期服役需求。

1 試驗

1.1 材料

采用球墨鑄鐵QT500-7作為基體材料，制成尺寸為150 mm×75 mm×5 mm的平板試片。經過噴砂除銹和除油后，按表1要求分別制成4種類型高溫涂層試片，并按照相同的涂裝工藝及技術要求，生產4種類型高溫涂層排煙管試驗件。

1.2 高溫試驗

將4種類型高溫涂層試片放置于馬弗爐里，溫度升至600 ℃后，保溫2 h，爐中空冷至室溫。在高溫試驗前后，觀察與分析4 種類型高溫涂層宏觀形貌的變化規律。

表1 不同類型高溫涂層制造要求

Tab.1 Manufacturing requirements for different high temperature coatings

1.3 戶外暴露試驗

戶外暴露試驗參考GJB 8893.2—2017《軍用裝備自然環境試驗方法第2部分：戶外大氣自然環境試驗》，將試驗件放置在某島礁進行戶外暴露試驗，每種類型平行試片3件，試驗周期為12個月。將4種類型高溫涂層排煙管試驗件安裝在底盤發動機上進行實裝實地驗證。試驗地點年平均環境參數見表2。

表2 試驗地點年平均環境參數

Tab.2 Average annual environmental factors of test spot

1.4 表面形貌和成分測試

采用掃描電鏡（GeminiSEM300，Zeiss，英國）對腐蝕試驗后試驗件的表面形貌進行觀察，并采用電鏡附帶的能譜儀（Energy Diffraction Spectrum，EDS，Aztclive UltimMax65，Oxford，英國）進行成分測試。

1.5 附著力測試

分別參照GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》和GB 9286—1998《色漆和清漆漆膜的劃格試驗》對高溫試驗前后的高溫涂層進行拉拔法、劃格法附著力測試。

2 結果與分析

2.1 試片戶外暴露試驗

4種類型高溫涂層試片經過1 a戶外暴露試驗后的宏觀腐蝕形貌如圖1所示。A型涂層試片邊緣25 mm以內發生顯著腐蝕，并不斷向內擴展；B型涂層試片邊緣10 mm內發生腐蝕；C型涂層試片表面附著浮銹，經擦拭后可去除，表面光潔，存在極少量的腐蝕；D型涂層試片大部分區域附著一層白銹，其他部分區域附著紅褐色鐵銹，涂層中鋅粉被腐蝕后，鑄鐵基體則出現了腐蝕。

圖1 高溫涂層試片戶外暴露1年宏觀腐蝕形貌

采用掃描電鏡對A、B、C、D型涂層表面微觀腐蝕形貌進行觀察，如圖2所示。A、B、C型涂層相對致密，無裂紋和孔隙等缺陷，而D型涂層含有大量的微孔和片狀形貌。結合EDS（如圖3及表3所示）分析可以發現，A型涂層主要含有Mg、Al、Cr、Mn和Cu等元素，B型、C型涂層主要含有Al元素，主要元素分別與3種有機硅涂料主要的顏填料成分相對應。A、B型涂層中的Fe元素含量相對很少，可忽略，C型Fe元素含量相對較多，可能與表面浮銹有關，D型涂層的Zn元素含量很高，說明涂層表面是鋅的腐蝕產物，涂層表面微孔是由鋅粉發生選擇性腐蝕后產生的，而片狀形貌物質是鋅的腐蝕產物，并且D型涂層中Fe元素含量較多，說明鑄鐵基體的腐蝕已較為明顯。

2.2 試片耐高溫試驗

采用馬弗爐600 ℃高溫環境模擬排煙管工作環境。將4種類型高溫涂層進行600 ℃高溫試驗，觀察高溫試驗后的高溫涂層宏觀形貌變化，并測試涂層的附著力和抗腐蝕性能。

4種類型高溫涂層在耐高溫試驗后的宏觀形貌如圖4所示。宏觀形貌觀察結果見表4。A、B型涂層試片經過高溫試驗后，涂層表面平整光潔，無起皺、鼓包、起皮、開裂、變色等現象，說明這2種高溫涂料的耐高溫性能較好；C型涂層試片無起皺、鼓包、起皮、開裂，但稍有變色；D型涂層試片經高溫試驗后，表面由黑色變成了深褐色，涂層顯示出鋼鐵基體氧化后的色澤。從宏觀形貌觀察可知，4種類型涂層中，A、B、C型涂層的耐高溫氧化性能較好，D型涂層耐高溫氧化性能較差，說明D型涂層耐高溫氧化性能低于600 ℃。

圖2 高溫涂層試片戶外暴露1年后表面微觀腐蝕形貌

圖3 高溫涂層試片戶外暴露1 a后表面EDS分析結果

表3 高溫涂層試片戶外暴露1 a后表面EDS分析結果匯總

Tab.3 EDS analysis results summary of sample pieces with different high temperature coatings after outdoor exposure for 1 year

圖4 高溫涂層高溫試驗后宏觀形貌

表4 高溫涂層高溫試驗結果匯總

Tab.4 High temperature test results summary of high temperature coatings

采用劃痕法和拉拔法測試高溫涂層燒蝕前后的附著力，4種類型高溫涂層高溫燒蝕2 h前后的附著力測試結果見表4。在高溫試驗前，A、C型涂層的附著力等級為3級，B型涂層為4級；在高溫試驗后，A、B、C型涂層附著力測試為2級。D型涂層在高溫試驗前的附著力等級較高，但高溫試驗后附著力為5級。采用拉拔法測試發現，A、B、C型涂層在高溫氧化后，附著力強度增加，與劃痕法一致，而D型涂層無法測試準確值。A、B、C型高溫涂層在高溫試驗后，附著力反而增加，主要是由于涂層以有機硅為成膜物，在高溫加熱過程中，涂層基團交聯程度增加，涂層內聚強度和與基體附著力增強。通過附著力試驗，說明A、B、C型涂層的耐高溫性能優良，優于D型涂層。

4種類型高溫涂層試片經過600 ℃高溫氧化2 h后，再進行1 a戶外暴露試驗，試片的宏觀腐蝕形貌如圖5所示。A型涂層表面全部出現鼓泡，鑄鐵基體已經出現了腐蝕，部分涂層已經出現了脫落；B型涂層出現了較多的細微點蝕現象，但未見涂層出現鼓泡和脫落現象；C型涂層出現了大量鼓泡、起皮、脫落、基體大部分腐蝕等現象，說明C型涂層已經失去了防護性能。A、B、C型涂層高溫燒蝕后，涂層的耐腐蝕性能都有所降低，而且A、C型涂層較為顯著。D型涂層少部分區域覆蓋一層白銹，大部分區域出現紅銹，說明在大部分區域鋅粉已完全腐蝕，涂層陰極保護作用降低，鑄鐵基體出現了大量點蝕現象，鑄鐵基體腐蝕程度比A、C型涂層試片較輕。

2.3 排煙管實地實裝試驗結果

排煙管表面4種類型高溫涂層在服役1 a后的腐蝕形貌如圖6所示。相對于傳統的耐高溫銀粉漆，4種類型高溫涂層對排煙管的腐蝕防護性能顯著提高。A型涂層排煙管表面的沾污明顯，但涂料只存在少量腐蝕現象。B型涂層排煙管出現了大量黃褐色鐵銹，部分涂層中出現了鼓泡和脫落現象。由于降水頻繁，鐵銹具有明顯流淌的痕跡，鐵銹沿著排煙管弧面向下流淌，并附著在涂層表面。C型涂層排煙管在部分區域腐蝕明顯，該處排煙管靠近發動機，表面溫度較高，這說明溫度越高，涂層的耐蝕性越差。D型涂層排煙管與相對應的試片腐蝕形貌相似，出現了白銹和紅銹。

圖5 高溫涂層高溫燒蝕后戶外暴露腐蝕1年宏觀形貌

圖6 排煙管服役1 a后的宏觀腐蝕形貌

3 討論

A、B、C型涂層是由3種改性有機硅涂料涂裝制備而成，D型涂層是由無機硅酸鹽型涂料制備而成。A型涂料分別將銅鉻黑和氧化鋁、滑石粉等作為耐高溫顏料和填料；B型涂料以納米鱗片狀石墨和Al2O3粉末等作為耐高溫填料；C型涂料主要以Al2O3作為耐高溫填料；D型涂料是以硅酸鹽粘結劑作為成膜物、鋅粉作為防腐蝕填料。

通過試片試驗對比發現，4種類型高溫涂層耐高溫性能順序為A≈B>C>D，其中A、B耐高溫性能相近，高溫涂層的耐腐蝕性能順序為C>B>A>D；經過高溫燒蝕后，高溫涂層的耐腐蝕性能順序為B>D>A>C。4種類型高溫涂層試片試驗對比結果見表5。綜合表5中試片試驗結果可知，B型涂層試片綜合性能最優異，A、C、D型涂層性能各有優劣。A型涂層附著力較低，易腐蝕擴展，高溫氧化抗裂性差；C型涂層耐蝕性好，但比A、B型涂層耐高溫性能低，且600 ℃高溫燒蝕后更加易腐蝕；D型涂層的耐熱溫度低于600 ℃，鋅粉腐蝕后防護性能減弱。

表5 試片和排煙管高溫涂層耐高溫耐腐蝕性能對比

Tab.5 Summary of corrosion resistance and high temperature resistance compassion results of different high temperature coatings on sample pieces and exhaust pipes

通過試片可評價耐高溫性能、耐腐蝕性能等單一性能的優劣。實際上，試片采用600 ℃高溫燒蝕2 h用于模擬排煙管使用工況，雖與排煙管實際工況接近，但也存在一些不同。例如，底盤發動機排出的尾氣最高溫度可達到600 ℃，但排煙管實際工作溫度低于600 ℃，而且工作溫度沿著排煙管呈梯度分布，排煙管在1 a服役時間內，高溫燒蝕時間遠比2 h更長，而且高溫環境是間歇、無規律的，高溫燒蝕、降水冷卻、常溫大氣腐蝕等頻繁交替作用，實際腐蝕環境因素較多，且相互協同加速涂層老化和排煙管腐蝕，排煙管實際工況遠比涂層試片試驗條件復雜。因此，在實際服役環境耐腐蝕性能還需要通過排煙管實裝實地試驗驗證予以確定。

通過排煙管實裝實地驗證發現，排煙管表面高溫涂層的耐腐蝕性能結果與試片試驗結果不同，4種類型高溫涂層腐蝕防護性能的順序為A>C>D>B。A型涂層未見明顯腐蝕，A型涂層對于結構邊緣防護性能相對較低，而排煙管為圓弧狀結構，所以A型涂層腐蝕較輕微。C型涂層部分區域出現了腐蝕，未出現大面積腐蝕和涂層脫落的現象，由于排煙管承受的溫度低于600 ℃，使得C型涂層在高溫氧化后仍然保持較高的耐蝕性。D型涂層排煙管與試片的腐蝕規律類似，鋅粉腐蝕后，排煙管基體出現大量點蝕。B型涂層出現了少量涂層脫落和基體大面積腐蝕的現象，說明在實際工況中，高溫燒蝕、降水冷卻和腐蝕頻繁交替循環作用下，B型涂層耐冷熱交變性能較差，涂層腐蝕損傷較快，其可能與鱗片狀石墨熱膨脹系數較大或與鑄鐵基體膨脹系數不匹配有關。從實裝實地服役1 a的腐蝕形貌來看，A型涂層的耐腐蝕性能最好，但結合試片結果來看，也存在較多性能不足；B型涂層實際服役耐腐蝕性能與試片存在較大的差異，需要進一步深入研究和性能改進；C、D型涂層服役1 a后存在著明顯的腐蝕現象，在長期使用過程中需要維護，D型涂層為無機涂層，適合現場修復。

4種類型高溫涂層在某海洋大氣環境中都存在不同程度腐蝕、老化現象，需要針對不同性能不足對涂料組成成分進行調整。例如，A型涂層可加入鋁粉等或調整滑石粉含量來提高其耐蝕性和附著力、高溫抗裂性[25-26]。B型涂層需要添加滑石粉來改善涂層冷熱交變性能[25]，提高高溫、常溫頻繁交替作用下的耐高溫老化、耐腐蝕性能。C型涂層可通過降低環氧樹脂含量或增加滑石粉、云母粉等耐高溫填料，提高其耐高溫性能[27]。D型涂層需要提高硅酸鹽粘接劑的耐高溫性能，該涂層不適合直接暴露使用，作為底漆與其他耐高溫面漆配套使用則性能更優。改進后的涂層耐高溫、耐腐蝕性能需要進一步的分析研究和驗證。

4 結論

1）通過高溫涂層試片高溫試驗、戶外暴露試驗和排煙管實裝實地試驗等綜合試驗對比，在3種改性有機硅、1種無機硅酸鹽等4種類型高溫涂層中，有機硅高溫涂層的耐高溫、耐腐蝕性能優于無機硅酸鹽高溫涂層；氟樹脂改性有機硅涂層在實際工況下的耐高溫耐腐蝕性能最好；摻雜納米石墨的有機硅高溫涂層雖然耐高溫和耐腐蝕性能較好，但在冷熱交替作用下的耐高溫、耐腐蝕性能較低；環氧改性有機硅高溫涂層高溫氧化后，其耐腐蝕性能明顯降低。

2）相對于傳統防護涂層，4種高溫涂層顯著改善了排煙管耐高溫、耐腐蝕性能，但4種高溫涂層存在不同程度的耐腐蝕、耐高溫等性能不足的問題，需要根據各自的性能不足進一步改進。

3）在4種高溫涂層中，有機硅氟樹脂耐高溫涂層能夠滿足排煙管不低于1 a的免維護使用要求。

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Comparative Corrosion Resistance Analysis and Application of High Temperature Coatings on Exhaust Pipes of Engines

GUO Qiang, LI Hai-feng

(Beijing Institute of Machinery and Equipment, Beijing 100854, China)

The work aims to conduct comparative corrosion resistance analysis and application of four high temperature coatings to overcome the difficulty in corrosion resistance of exhaust pipes for engines in a marine atmospheric environment. The high temperature test, outdoor exposure test of sample pieces and physical verification of exhaust pipes were employed to test and analyze high temperature resistance, corrosion resistance and application effect of 3 modified silicone coatings and one inorganic coating. The high temperature test and outdoor exposure test results of coated sample pieces indicated that the high temperature resistance at 600 ℃ and corrosion resistance of 3 silicone coatings were better than those of the inorganic coating, respectively. But the outdoor exposure test of the coated sample pieces after high temperature test at 600 ℃ showed that the corrosion resistance of the carbon doped silicone coating was better than that of the other three coatings, and that of the inorganic coating was better than that of the other two organic coatings. The coated exhaust pipe application test exhibited that the carbon doped silicone coating corroded fast under frequent alternating action of high temperature oxidation, precipitation cooling, and corrosion at normal temperature. The silicone fluororesin coating showed the best corrosion prevention properties. The epoxy modified silicone coating corroded obviously in the high temperature zone. The Zinc powder in the inorganic phosphate Zn-rich coating and the cast iron matrix corroded evidently. The four high temperature coatings on the exhaust pipe show remarkably better corrosion resistance than the traditional silver powder coating. In view of the above test conditions, the four high temperature coating show different advantage and disadvantage of high temperature resistance and corrosion resistance, which have to be modified in many ways according to their own shortcomings. Under actual working conditions, the silicone fluororesin coating meets the requirements of continual service with non-maintenance for at least 1 year in a marine atmospheric environment; while the other two silicone coatings and the inorganic phosphate coating need to be fixed partly.

high temperature coating; exhaust pipe; corrosion resistance; high temperature resistance

2022-10-02；

2022-11-06

GUO Qiang (1983-), Male, Doctor.

郭強, 李海峰. 底盤發動機排煙管高溫涂料耐腐蝕性能對比分析與應用[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(6): 083-091.

TG172

A

1672-9242(2023)06-0083-09

10.7643/ issn.1672-9242.2023.06.011

2022–10–02；

2022–11–06

郭強（1983—），男，博士。

GUO Qiang, LI Hai-feng. Comparative Corrosion Resistance Analysis and Application of High Temperature Coatings on Exhaust Pipes of Engines[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(6): 083-091.

責任編輯：劉世忠