1前言
海洋环境中,船舶螺旋桨在工作过程中除了受到海水的电化学腐蚀外,还因海水冲刷腐蚀!空泡腐蚀造成其表面损伤严重,服役寿命大大缩减,目前普遍采用的阴极保护技术无法满足其长效防护的要求[1一4]"等离子喷涂具有焰流温度高!速度快及气氛可控等优点,是目前广泛使用的热喷涂技术之一"利用等离子喷涂技术可以在现有材料表面获得硬度高!化学稳定性强以及耐磨损!耐气蚀等性能优异的陶瓷涂层,目前已广泛应用于海水轴承等往复运动件及汽轮机叶片等旋转部件中"为了弥补单组分氧化物陶瓷涂层(如纯A12O3和CrZO3等)固有的高脆性!多孔隙以及较低的结合性能等缺陷,通常添加低熔点TIO:或510:粉末形成多元复合粉末,以改善粉末的喷涂工艺性能,获得更优异的涂层性能!/一-2}"本实验以A12O3一13%TIO:和CrZO3#55102#3TIO:两种复合粉末为喷涂材料,采用等离子喷涂工艺在螺旋桨基体(高锰铝青铜)上制备涂层,对比分析两种复合涂层的组织性能!电化学腐蚀行为和冲刷腐蚀性能"
2实验方法
实验所用基材为高锰铝青铜(ZQAll2一8一3一2），粘结层材料为自粘结铝青铜粉末,陶瓷材料为A1203一13%TIOZ(烧结制粉,不规则状)和CrZO3#55102#3TIO:(气雾化制粉,球形)粉末,粉末成分及粒度见表1"用SuLZERMETCO公司gMB型等离子喷涂设备制备复合涂层,喷涂工艺参数如表2所示"喷涂前对基体表面进行喷砂处理,粘结层喷涂厚度为50拜m~80拼m,陶瓷层喷涂厚度为180户m~2()O拼m"
用HxD一1000数字式显微硬度计在研磨抛光的涂层截面上进行显微硬度测试,压制载荷为1.96N,保载时间20""涂层结合强度的测定按国标GB8642-20025热喷涂抗拉结合强度的测定6进行,拉伸试验用DWD一20型微机控制电子万能拉伸试验机,拉伸速度为10mm/min"
电化学测试用美国AMETEK公司PAR-STAT咒73电化学测试系统,采用三电极体系,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂妮丝,工作电极为涂层试样,工作面积为1cm/,腐蚀介质为3.5%NaCI溶液"动电位极化扫描速度0.5mV/!,扫描范围一250mV(vs.OCp)~1000mV"电化学阻抗谱测量频率范围为100kHz~10mHz,交流激励信号幅值为士10mV"冲刷腐蚀试验在CF一97型旋转圆筒冲刷腐蚀试验机上进行,试样尺寸为70mmx25mmx3mm,中心通如.5mm圆孔用于固定试样"实验周期为10d,流速为sm/s,实验介质为青岛天然海水"
用PhihPsXL一30型环境扫描电子显微镜对喷涂态涂层表面及冲刷腐蚀后的形貌进行观察,涂层截面形貌观察采用KeyerleeVK一9710型激光扫描显微镜(LSM)"腐蚀后涂层下界面缺陷情况用SonoseanC一SAMDg000型超声波扫描显微镜观察"
3结果与讨论
3.1涂层组织形貌观察
A12O3一13%TIO:和CrZO3#55102#3TIO:涂层喷涂态表面及截面形貌如图1所示"从图中可以看出,两种涂层表面均呈现凹凸不平,存在一定数量的微孔,未见明显的微裂纹"与A12O3一13%TIO:涂层相比,CrZO3#55102#3TIO:涂层表面粒子铺展性更好,未熔颗粒较少"这是由于球形CrZO3#55102#3Ti02
复合粉末流动性较好,在喷涂过程中熔化充分[l-!"从涂层截面(图1b,d)可见,铝青铜粘结层与陶瓷层,粘结层与基体之间形成了良好的结合界面"A12O3一13%TIO:涂层呈明显的层状结构,孔隙较多!尺寸较大;CrZO3#55102#3TIO:涂层层状结构不明显,孔隙数童及尺寸明显小于A1203一13%TIOZ涂层"
3.2电化学腐蚀行为
3.2,1动电位极化曲线A1203一13%TIOZ和
CrZO3#55102#3TIO:涂层在3.5%NaCI溶液中浸泡o.sh,待开路电位稳定后,进行动电位极化测试,测试结果如图2所示"可以看出,CrZO3#55102#3TIOZ涂层自腐蚀电位较铝青铜基体及A12o3一13%Tio:涂层更正,这说明CrZO3#55102#3TIOZ涂层的腐蚀热力学倾向最低!-/]"铝青铜基体属于活化极化控制腐蚀体系,阳极区符合塔菲尔方程"陶瓷涂层覆盖的铜合金基体在极化初期属于浓度极化控制腐蚀体系,主要为腐蚀液的渗透过程,阳极不发生溶解反应,阳极区儿乎为平行于电位轴的直线;在极化后期,腐蚀液渗透到粘结层界面,变为活化极化和浓度极化同时存在的混合控制体系"从图中可以看出,铝青铜基体及两种涂层体系的阳极溶解电流密度大小关系为:CrZO3#55102#3TIOZ涂层<A12O3一13%TIOZ涂层<铝青铜基体,CrZO3#55102#3TIOZ涂层表现更优异的耐蚀性能"涂层体系的阴极过程均为氧去极化反应"
Pellttinen等证明涂层渗透性缺陷是影响涂层耐蚀性能的重要因素,小孔隙率涂层具有较好的保护性能民-4,-/]"电化学方法可以测试硬质涂层的孔隙率,就电化学惰性涂层而言,极化电阻比值法最为简便比-6一-s]"根据文献=16],陶瓷涂层孔隙率可以表示为p二丛塑凡式中,尸为涂层体系的孔隙 ,Rp,n,!Rp分别为基体金属的极化电阻和涂层体系的极化电阻"表4给出了铝青铜基体及涂层体系的Rp拟合及孔隙率计算结果"可知,A12O3一13%TIO:涂层孔隙率约为CrZO3#55102#3TIO:涂层的2倍多,此孔隙率可被认作涂层体系的通孔率,显示出腐蚀介质到达涂层/粘结层(基体)界面的难易程度"
3.2.2电化学阻杭谱
图3是A12O3一13%TIOZ和CrZO3#55102#3TIOZ涂层在3.5%NaCI溶液中开路电位下的电化学阻抗谱由阻抗谱特征可以看出,A1203一13%TIO:涂层呈现两个时间常数,高频段容抗弧表征陶瓷涂层阻抗,低频段对应NaCI溶液通过陶瓷涂层到达铝青铜粘结层表面的腐蚀反应"与A12O3一13%TIOZ涂层不同,CrZO3#551()3TIOZ涂层在中频段出现一个新的相位角(图淤),此相位角与粘结层腐蚀产物膜有关[-/,-0#/-)]"造成上述腐蚀过程差异的原因分析为CrZO3#55102#3TIOZ涂层孔隙率较低,粘结层腐蚀反应形成的腐蚀产物不易扩散或交换至溶液中,因而形成稳定存在的膜层"从相位角图中还可以观察到,中高频区rZO3#55102#3TIOZ涂层相位角明显高于A12O3一13%TIO:涂层,表明前者电极表面粗糙度较小,具有更好的表面状况和致密度!/.},因此可以更好地抵抗腐蚀溶液的侵蚀,这与极化曲线测试结果(图2)一致"
4结论
(l)相对A12O3一13%TIOZ涂层,CrZO3#55102#3TIOZ涂层组织更致密,无明显层状结构,涂层孔隙数量和尺寸一均较小"电化学方法计算得到crZO3#55102#3TIO:涂层的孔隙率只有A1203一13%TIO:涂层的1/2"
(2)两涂层在3.5%NaCI溶液中的腐蚀行为取决于涂层的孔隙率"CrZO3#55102#3TIO:涂层阳极溶解电流密度较低,电荷转移电阻较大,耐蚀性优于A12O3一13%TIO:涂层"
(3)A1203一13%TIO:和CrZO3#55102#3TIOZ涂层均可以为高锰铝青铜基体提供抗冲蚀保护; CrZO3#55102#3TIO:涂层冲蚀失重只有铝青铜基体的1/9,耐流动海水冲刷腐蚀性能更优异
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