摘 要:采用电弧喷涂工艺在6061铝合金基体表面喷涂高纯铝涂层,利用金相显微镜对涂层的组织进行观察,分析了基体与涂层的结合方式,测量了涂层的孔隙率。并采用质量分数为5%的NaCl溶液浸泡试验、盐雾试验和电化学试验,检验了涂层的耐腐蚀性。结果表明,利用电弧喷涂技术可以在6061铝合金基体表面形成均匀、致密、孔隙率低、结合良好的高纯铝涂层;高纯铝涂层耐腐蚀性较好,对铝合金基体起到了保护作用,涂层经过封孔工艺处理后保护作用更好。
关键词:铝合金;铝涂层;电弧喷涂;耐腐蚀
0 序 言
铝合金具有比强度高、导热和导电性好、反光性强、色泽美观、无磁性、耐腐蚀性好,以及塑性和成形性好、无低温脆性等优点,是一种具有优良综合性能的有色金属材料[1]。但是铝合金的耐蚀性能很少能超过纯铝[2],在海洋环境的应用中,一些铝合金的结构件会发生大面积的腐蚀脱落现象,腐蚀问题仍然存在,限制了其在海洋环境下的广泛应用。铝合金的表面保护越来越引起人们的关注,而热喷涂长效防护金属涂层自热喷涂技术发明以来一直是人们研究的热点之一[3-6]。随着电弧喷涂设备和技术的发展日趋成熟,电弧喷涂长效防护涂层的应用和研究逐渐占据了主要地位[7,8],在工业生产中,通常采用电弧喷涂进行防腐处理。电弧喷涂铝涂层对海洋环境下工作的钢铁结构设施具有很好的保护作用,在舰船[9]、海上石油勘探设施以及港口中的钢铁设施都有大量成功的应用实例。但是将电弧喷涂技术应用到铝合金表面的防腐处理上,国内外的研究还很少。进一步研究电弧喷涂技术在铝合金上的应用,对电弧喷涂技术和铝合金的应用,都具有重要的意义。作者采用电弧喷涂技术在铝合金表面喷涂高纯铝涂层,并对涂层的组织、孔隙率、结合方式进行分析研究。采用质量分数为5%的NaCl溶液浸泡试验、盐雾试验和电化学试验检测涂层的耐腐蚀性。为电弧喷涂技术在铝合金的耐蚀防护应用上打下一定的研究基础。
1 设备与试验方法
1.1 喷涂设备与试样制备
试验所用的基体为6061铝合金,其主要成分见表1。喷涂铝涂层前采用粒度为30目的钢玉砂进行喷砂处理,并用丙酮溶液清除表面的油污与粉尘,使铝合金表面清洁。采用高速电弧喷涂机进行喷涂,喷涂电压为28 V,电流为120 A,空气压力为0.6 MPa,喷涂距离为180 mm。喷涂材料选用纯度大于99.7%的高纯铝丝,直径为<2 mm。喷涂后,采用E 44环氧树脂进行封孔处理。
1.2 试验方法
采用金相显微镜对涂层组织进行观察,分析其结合方式。利用金相显微镜和ISA4图像分析系统,按照国家标准GB 3365)1982测量涂层的孔隙率。浸泡试验,将试样表面完全浸泡在质量分数为5%的NaCl溶液中,观察720 h。在140 h取出浸泡试样进行金相分析。为了降低腐蚀产物对试验的影响,需要保证溶液的量和试样表面积的比例[10]大于20 mLB1 cm2。
盐雾试验,在盐雾试验箱内进行人造气氛中的腐蚀试验盐雾试验。试验条件为盐水浓度NaCl 50 gPL?5 gPL,盐雾箱内温度为35e?2e,盐雾沉降率0.016 25~0.021 2 mL#hPcm2,喷雾方式为48 h的连续喷雾。
电化学试验,用M342电化学测试系统测量基体与涂层的极化曲线。采用传统三电极体系,试样为工作电极。试验前准备20 mm@20 mm试样,喷涂后露出测试面积为1 cm2。工作电极和辅助电极经过活化处理后,立即放入电解池中,待电位稳定后,分别测定涂层和基体的极化曲线。测试所用腐蚀介质为质量分数为5%的NaCl溶液,试验温度为25e,选择扫描速度为0.01 VPmin。
2 试验结果与分析
2.1 涂层组织与形貌
进行电弧喷涂时,被电弧雾化的粒子撞击铝合金基体,使基体原子获得很高的活化能,并积覆在基体原子上,随后飞来的被电弧雾化的粒子积覆到先到的粒子表面。依照顺序堆叠镶嵌而形成一种以机械结合为主的喷涂层。图1是6061铝合金表面电弧喷涂铝涂层的金相组织,可以看到雾化后的粒子产生了很大的变形,具有明显的层状结构特征,组织致密无微裂纹和粗大、贯穿的孔隙,形成了高质量的涂层。由图1b看出被撞成扁平状并随基材表面起伏的电弧雾化粒子通过与凸凹不平的表面互相嵌合(抛锚效应),形成了机械键,所以涂层与基体的结合是以机械结合为主。涂层与基体结合紧密,结合处无孔隙存在。由于电弧雾化的粒子陆续堆叠以及部分粒子的反弹损失,不可避免地出现气孔。试验测得在该工艺条件下的涂层的孔隙率比较低,为4.5%左右。
2.2 涂层的耐腐性分析
2.2.1 浸泡试验
对表面未经处理、表面喷涂但未封孔处理以及表面喷涂并封孔处理的三种试样进行浸泡试验,试件的表面形貌变化结果见表2。从表2可以看出喷涂并经封孔处理的试样腐蚀前后表面形貌变化不大,对基体起到了很好的保护作用。
图2为浸泡时间144 h后涂层的横截面微观组织。从图2a可以看出喷涂未封孔处理的试样表面已经被腐蚀,并出现腐蚀凹坑,呈现出很明显的点蚀特征。原因是氯离子在铝合金氧化膜上吸附后,由于氯离子半径小而穿过钝化膜,氯离子进入膜内后,污染了氧化膜,产生了强烈的感应离子导电。于是氧化膜在一定点上变得能够维持高的电流密度,并能使阳离子杂乱移动而活跃起来,当氧化膜)溶液界面的电场达到某一临界值时,便发生了点蚀并逐渐加重。由图2a又看出,虽然涂层表面遭到了腐蚀破坏,但是并未脱落,而且涂层仍能保持很好的致密结构并与基体结合完好,有效地阻止了氯离子对铝合金基体的侵蚀,起到了保护基体的作用。由图2b可以看出喷涂并封孔处理的试样,由于封孔剂有效地阻挡了氯离子对涂层的侵蚀,使浸泡前后的涂层几乎没有被腐蚀,对铝合金基体起到了更好的保护作用。
2.2.2 盐雾试验
对表面未经处理、表面喷涂但未封孔处理以及表面喷涂并封孔处理的三种试样进行盐雾试验,试验前后的表面形貌如图3所示。由图3b看出基体盐雾试验后表面出现了明显的腐蚀条斑和点蚀产生的黑色斑点。由图3d看出涂层盐雾试验后表面出现了比较均匀致密的浅灰色腐蚀产物,腐蚀程度较轻。由于电弧喷涂层是粒子的堆积形成的,表面粗糙与有孔隙不可避免。在盐雾试验过程中,由于粗糙的表面或孔隙中氯离子的侵蚀,使涂层的表面形成无数的腐蚀微电池,会加速涂层表面的腐蚀。从而在开始一段时间内涂层的腐蚀会较快,在涂层表面会生成均匀的Al(OH)3。而Al(OH)3附着力较强,不易脱落。铝的钝化产物Al2O3其溶解度更低,也容易生成。Al2O3和Al(OH)3附着在涂层表面,限制了腐蚀介质的渗入,在涂层内部的粒子间形成微电池腐蚀涂层,起到了封孔剂的作用,随着腐蚀产物的增多,涂层的孔隙几乎全部被其封闭,形成了一层优良的阻挡层,将会降低涂层的腐蚀速度,有效地保护涂层,延长涂层的使用寿命[11]。由图3f可以看出喷涂并封孔处理的试样,盐雾试验后只是封孔材料表面的光泽稍微变淡,铝涂层几乎没有任何变化。
图4a是未封孔处理的涂层盐雾试验后的截面金相照片,可以看到电弧喷涂得到的高纯铝涂层虽然发生了一定程度的腐蚀,涂层变薄。但腐蚀后的涂层仍保持均匀致密的层状组织,无贯穿性蚀孔。
由于喷涂层的存在,使基体没有被腐蚀,涂层起到了有效的保护作用。图4b是经过封孔处理的涂层盐雾试验后的截面金相照片,盐雾试验后涂层几乎没有被腐蚀,可见铝涂层经过封孔处理后,本身具有一定粗糙度的高纯铝涂层增强了封孔剂与涂层的结合强度,而封孔剂的存在又有效地阻挡了氯离子对涂层表面的侵蚀,再加上铝涂层自身的很强的耐腐蚀性,封孔剂与涂层二者间的协同保护,大大增强了涂层表面耐腐蚀性,对铝合金基体的保护作用进一步提高,所以48 h盐雾试验后,铝涂层几乎没有任何变化。
2.2.3 电化学试验
对高纯铝涂层与铝合金基体进行电化学试验,试验结果如表3和图5所示。从表3的数据和图5极化曲线可以看出,6061铝合金基体经过喷涂纯铝涂层后,涂层腐蚀电位比基体高了295.9 mV,而腐蚀电流与基体在一个数量级而且差别不大,所以6061铝合金基体腐蚀倾向性要高于电弧喷涂的高纯铝涂层,高纯铝涂层包覆层的存在对基体起到良好的保护作用。
因为纯铝本身的标准电位很低仅-1.67 V,抗腐蚀能力较差。但是由于其钝化能力强,在大气、水、中性、酸性溶液中都有很好的稳定性,空气、水中的氧甚至水本身都是铝的钝化剂,使铝处于钝态。使其在特定环境下的腐蚀电位大大升高,所以铝的耐蚀性主要取决于其表面形成的钝化膜的稳定性[2]。试验测得结果显示铝合金基体的腐蚀倾向性高于纯铝涂层,原因分析为高纯铝涂层表面形成的氧化膜致密性与连续性好于铝合金表面形成的氧化膜。纯铝涂层的氧化膜能够更好地阻挡氯离子的侵蚀,增强了抗点蚀能力。但是由于高纯铝涂层的腐蚀电位要高于铝合金,从而任何一处贯穿孔隙都会增大腐蚀电流引起电化学腐蚀,反而加速基体的腐蚀。由于铝合金表面喷涂高纯铝涂层防腐作用主要基于物理覆盖保护作用,铝涂层一定要完好地包覆在铝合金基体的表面,达到保护基体的目的。一旦涂层破坏,一定要及时修复。
3 结 论
(1)采用电弧喷涂技术,可以在6061铝合金表面形成孔隙率低、层状组织致密、基体与涂层结合比较好的高纯铝涂层。
(2)高纯铝涂层的腐蚀倾向性低于6061铝合金。由于涂层腐蚀电位高于基体,一旦涂层破坏,要及时修复。
(3)喷涂未封孔处理的试样对铝合金基体有一定的保护作用,喷涂并经过封孔处理后,对铝合金基体起到了极好的保护作用。
参考文献略
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