高速电弧喷涂层在钢结构防腐蚀中的作用及应用现状
楼 淼,胡永乐,强文江等
材料保护
[摘 要] 高速电弧喷涂技术是一种优质、高效、低成本的再制造工程关键性技术。为此,综述了高速电弧喷涂层在腐蚀环境中的防护作用及其应用状况,展望了高速电弧喷涂技术在钢结构防腐蚀领域的发展趋势。
[关键词] 高速电弧喷涂;涂层;腐蚀防护;钢结构;热喷涂
0 前 言
金属材料由于受到工作环境介质的作用会遭到破坏[1]。金属腐蚀遍及工程建设的各个领域,危害十分严重。全球每年因腐蚀造成的经济损失约7 000亿美元,其中有1/4可通过改善防腐蚀措施加以避免[2]。与普通电弧喷涂技术相比,高速电弧喷涂技术[3]具有熔滴速度高,雾化效果好,涂层结合强度高、孔隙率低等特点,在制备防腐蚀涂层[4]、耐磨损涂层[5]、耐高温抗氧化涂层[6]和特种功能性涂层[7]等方面具有独特的优越性。以下对高速电弧喷涂防腐蚀涂层的防护机理及其工程应用予以综述,并展望了其发展趋势。
1各种喷涂层的防腐蚀作用
1. 1 Zn基涂层
目前,锌仍然是大气、淡水环境下服役钢铁结构件热喷涂层首选的材料,因为锌涂层对钢铁有较好的防护作用[8]: (1)将钢铁基体与腐蚀介质隔开,避免直接接触;(2)当锌涂层因腐蚀、机械损伤而显露出钢铁基体时,就会与钢铁基体构成腐蚀微电池,充当微电池阳极被腐蚀,进而很好地保护基体; (3)当锌涂层因选择性溶解出现较小的不连续间隙时,会形成腐蚀产物,发生体积膨胀,使间隙愈合,从而阻碍电化学反应的进一步进行。
1. 2 A l基涂层
铝的腐蚀产物会转变成不溶于水的氧化物,铝涂层表面的氧化膜有自愈性功能,使铝涂层表面永远存在氧化膜表面。一旦铝涂层中的孔隙被不溶解的氧化物所封闭,只要涂层不受磨损或不被机械损伤,几乎不再进一步消耗[9]。热喷涂后涂层的内部和表面均含有较厚的Al2O3膜,Al2O3膜致密的屏蔽作用使铝的年腐蚀率很低。但是,由于Al2O3膜电导率低,电极电位较母材正,所以工程中铝涂层的阴极保护作用很弱,即其表层遭到破坏时母材金属就受到腐蚀,这给单独使用铝涂层防护带来了不利。
铝还可以用作耐热防腐蚀涂层,因为在高温作用下,它能在钢铁基体上扩散,与铁形成抗高温氧化的Fe3Al金属间化合物。高温下Fe3A1金属间化合物相具有较高的强度和硬度,和FeAl一起优先形成A12O3氧化膜,提高了涂层的耐冲蚀性能,使氧化物保护层不易开裂和脱落,从而提高钢材的耐高温冲蚀磨损性能[10]。
1. 3 Zn-A l基涂层
目前已研制出的Zn-Al合金涂层有复合型、合金粉末型及伪合金型等,其微观组织结构由富锌相和富铝相构成。富铝相的力学性能及化学稳定性较高,具有很好的耐磨蚀和耐冲蚀性能,强化了整个涂层,为较软的富锌相提供一个可靠的保护框架,从而延长了其使用寿命[11]。富锌相则以块状形态存在于富铝相的网络包围中,在腐蚀环境中被优先溶解,产生的腐蚀物封闭涂层中的孔隙,不但保护了钢铁基体,还减缓了富铝相的腐蚀速度。
粉芯丝材很大程度上解决了Zn-Al合金丝材拉拔难的问题。通过调节粉芯的成分即可制得不同合金含量的丝材,粉芯的最高填充率可达50%。Zn-Al合金粉芯丝材通常以Zn作外皮、Al作填充粉末。目前,采用电弧喷涂粉芯丝材制备Zn-Al合金涂层已有相当多的研究,出现了Zn-15%~30%Al粉芯丝材、Zn-45%Al粉芯丝材。Zn-Al合金涂层的耐蚀性能是纯锌涂层的6~7倍[12]。在Zn-Al合金中添加少量的Mg可进一步提高抗腐蚀能力,这种主要来自伪合金涂层中Mg和Zn的作用:Mg能形成尖晶石氧化膜改善涂层中Al的阴极保护作用,Al-Mg薄层具有一定的自封闭能力,可进一步阻止钢铁基体的腐蚀; Zn的自封闭作用可减缓涂层中Al的损失[13]。
Zn-Al合金中添加少量RE能提高涂层的抗腐蚀性能,因为RE细化了涂层的微观结构,减小了喷涂层的孔隙率。Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材涂层用于海洋环境中[14],除了具有屏蔽和阴极保护作用外,还具有独特的自封闭防腐蚀机理。高速电弧喷涂层在腐蚀过程中生成一系列Zn的碱式盐类、Mg的氢氧化物及Mg与Al的尖晶石氧化物等腐蚀产物,这些腐蚀产物不但能在涂层表面形成钝化膜,还能有效地堵塞涂层的孔隙,切断腐蚀介质的快速通道,从而提高涂层的耐蚀性。
1. 4 Ni基涂层
Ni-Cr合金具有非常好的抗高温氧化性能,可以在880℃下使用,还能耐水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、醋酸及碱等介质的腐蚀。Ni-Cr涂层由于Cr的优先氧化,形成Cr2O3或尖晶石型氧化物,阻碍了液相溶体腐蚀介质进入涂层基体,将热腐蚀限制在表面,使其难以向涂层纵深发展[15]。因此,Ni-Cr合金被大量用作耐高温腐蚀喷涂层。Cr含量超过40%,高Ni-Cr合金丝材就具有优异的抗高温氧化、硫化、硫氧化腐蚀性能。
1. 5 Cu基涂层
Zn在Cu-Zn合金中具有相当高的溶解度,形成α固溶体,有很好的强度、韧性、机加工性能和良好的耐蚀性能。加入少量Sn能提高Cu-Zn合金的强度和硬度,抑制“脱锌”,在淡水和海水中均有很好的耐蚀性。铝青铜涂层含氧率低,收缩率较小,涂层致密,与基体结合牢固,特别是由于含Al量高,在涂层表面形成一层致密的A12O3氧化膜,因而具有优异的抗氧化性,在海水中具有较好的抗腐蚀能力[16]。
2各种防腐蚀涂层的工程应用
2. 1桥梁钢结构
英国于1939年首次对新建的威尔士Menai海峡大桥的钢索和部分钢结构采用喷涂锌涂层保护, 15年后锌涂层基本完好,至1989年仍然很好。1994年,英国钢桥金属喷涂防腐蚀面积达3. 5×106m2,他们认为喷涂锌、铝及其合金涂层是钢桥长效防腐蚀唯一有效的方法。FHWA/IN/JTRP-98/21《美国钢桥保护政策》指出,喷涂锌、铝或锌铝合金涂层外加封闭的复合涂层可以长久有效地保护桥梁的钢结构[17]。数十年来,美国已有上百座桥梁采用金属喷涂防腐蚀技术。
近年来,电弧喷涂技术在我国的钢桥梁上也获得了推广和应用:1999~2006年仅中国矿业大学就施工了30座;三峡工程中下牢溪大桥和黄柏河大桥钢管拱外表面均采用了金属喷涂长效防腐蚀技术;东海大桥和杭州湾跨海大桥的钢箱梁结构外表面采用了电弧喷涂铝涂层外加有机封闭涂料和面漆的复合涂层进行防护[18]。
2. 2水工钢结构
国外几十年的使用已经证明,对于淡水环境,热喷涂锌层是解决防腐蚀问题的最佳方案。我国最早对水工钢结构应用金属喷涂防腐蚀技术的是江苏省三河闸管理处,从1966~1978年先后对63个水闸门做了喷锌防腐蚀处理。1985年,长江葛洲坝大型水闸门采用了喷涂锌涂层外加涂料封闭的防腐蚀措施。1986年黄河龙羊峡大型水闸门采用了喷涂铝外加涂料封闭防腐蚀处理。1999年三峡工程永久船闸6个闸首24扇闸门全部采用了电弧喷涂稀土铝外加环氧类封闭涂料的复合涂层防护体系[19]。国内外的大量应用实践表明,采用电弧喷涂技术对永久性大型钢结构防腐蚀是最佳的选择。
2. 3电力钢结构
从20世纪80年代以来,国内外试制成功了热喷涂耐高温磨蚀涂层,解决了锅炉四管(水冷壁管、过热器管、再热器管、省煤器管)的磨损和腐蚀问题。美国TAFA公司成功开发了电弧喷涂45CT合金涂层,其平均磨蚀小于0.025mm/a,得到了国际承认,并被许多国家所采用。我国已研制出新型的Fe-Al合金、Cr-Ni合金、Fe-Cr-Ni及Fe-Cr-Al合金涂层材料,且已通过高速电弧喷涂方法应用于天津大港电厂和邯郸电厂等锅炉水冷壁管道的热腐蚀防护,效果明显,涂层性能基本上达到了美国45CT涂层的指标,成本却大为降低[20]。
2. 4煤矿钢结构
煤矿井下通风量大、富氧、阴暗、潮湿,正合电化学腐蚀的2个基本条件———存在水和氧,处于此中的钢结构腐蚀速度较快,而且不方便维修,采用长效防腐蚀方法最为适宜。1990年成功地开发了煤矿井筒钢结构电弧喷涂长效防腐蚀复合涂层,预期使用寿命可达30年,并在安徽桃园煤矿、山西晋普山煤矿等获得了应用[21]。从1990~2005年,已经有近百个煤矿钢结构防腐蚀工程应用了电弧喷涂长效防腐蚀复合涂层,并取得了巨大的经济效益和社会效益。
2. 5广播电视塔钢结构
1983年以来,我国的广播电视塔钢结构大都采用了热喷涂技术防腐蚀,如中央电视台电视发射塔、北京广播电视中心电视发射塔、海南三亚电视发射塔和上海东方明珠电视塔等。2006年5月1日开建的广州电视塔也采用了这种技术对塔身钢结构进行防护,以确保其在广州湿热、酸雨环境下得到长久有效的防护[21]。
3结 语
高速电弧喷涂技术经济性能好、适用性强,是一项易于推广的高新技术,是目前大型钢结构防护工程中防腐蚀寿命最长、成本最低的防护技术之一。未来一段时间内,高速电弧喷涂技术的发展应主要集中在3方面:
(1)开发应用自动化[22]和智能化[23]的高速电弧喷涂设备,研制新型的喷枪结构[24],以提高生产效率和质量,改善作业环境;
(2)进一步深入研究高速电弧喷涂层的防腐蚀机理[25],采用现代化的技术深入分析涂层的失效形式,弄清环境腐蚀机理及工艺参数对涂层性能的影响;
(3)为了满足应用范围广、标准要求高的条件,而大力研究复合材料、纳米材料、新型合金或非晶材料等高速电弧喷涂材料。
[参考文献]
[ 1 ] 曹楚南.悄悄进行的破坏:金属腐蚀[M].北京:清华大学出版社/暨南大学出版社, 2000: 2~5.
[ 2 ] 柯 伟.中国腐蚀调查报告[M].北京:化学工业出版社, 2003: 73~76.
[ 3 ] 徐滨士,刘世参.表面工程新技术[M].北京:国防工业出版社, 2001: 17~19.
[ 4 ] SteffensH D, Baniak Z, WewelM. Recentdevelopments in arc spraying[J]. IEEE Trans on Plasma Sc,i 1990, 18(6):974~976.
[ 5 ] Nakayama T, WakeH, Ozawa K. Electrochemical preven-tion ofmarine biofouling on a novel titanium-nitride-coated plate formed by radio-frequency arc spraying[J]. ApplMi-crobiolBiotechno,l 1998, 50(3): 502~504.
[ 6 ] Chiu LH, Chen C C, Yang C F. Improement of corrosion properties in an aluminum-sprayed AZ31 magnesium alloy by a post-hot pressing and anodizing treatment[ J]. Surf CoatTechn, 2005, 191(6): 181~183.
[ 7 ] Hui IK, HuaM, LauH CW. A parametric investigation of arc spraying process for rapidmould making[J]. Int JAdv ManufTechn, 2003, 22(3): 768~770.
[ 8 ] 张忠礼.钢结构热喷涂防腐蚀技术[M].北京:化学工业出版社, 2004: 35~37.
[ 9 ] Kain RM, BakerE A. Marine atmospheric corrosionmuse-um report on the performance of thermal spray coatings on steel[A]. Testing ofMetallic and Inorganic coatings[C].Chicago: Illinois,USA, 1987: 211~213.
[10] 白金元,梁秀兵,魏世承,等.高速电弧喷涂Fe-Al涂层冲蚀磨损性能及机理研究[A]. 2009年全国青年摩擦学学术会议论文集[C].北京:中国机械工程学会摩擦学分会, 2009: 87~90.
[11] 付东兴,徐滨士,李庆芬,等.高速电弧喷涂技术在防腐工程领域的研究现状[J].材料导报, 2007, 21(3):94~96, 100.
[12] 陈永雄,徐滨士,许 一,等.热喷涂Zn-Al合金防腐涂层技术的研究进展[J].材料导报, 2006,20(4): 70~73.
[13] 刘 燕. Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材及其涂层自封闭机理的研究[J].装甲兵工程学院学报, 2005, 20(1): 45~50.
[14] 陈永雄,刘 燕,梁秀兵,等.电弧喷涂Zn-Al-Mg-RE粉芯丝材及其涂层的制备[J].材料工程, 2009, 25(2):65~68.
[15] 陈亚军,韩永梅,丁坤英,等.热喷涂工艺对Ni-Cr-Al涂层硬度性能的影响[J].焊接技术, 2009,38(1): 12~15.
[16] 王海军.热喷涂材料及应用[M].北京:国防工业出版社, 2008: 123~125.
[17] 易春龙.电弧喷涂技术[M].北京:化学工业出版社,2006: 67~70.
[18] 曹 备,张 琳.新世纪水工/桥梁结构腐蚀控制[M].昆明:云南科技出版社, 2003: 233~238.
[19] 刘 新.桥梁涂装工程[M].北京:化学工业出版社,2008: 175~176.
[20] 武 彬,孙宏飞,于惠博.热喷涂技术在电力工业中的应用[J].新技术新工艺, 2006, 11(3): 44~45.
[21] 王永兵,刘 湘,祁文军.热喷涂技术的发展和应用[J].电镀与涂饰, 2007, 26(7): 52~55.
[22] He Z Y, Lu BH, WangY Q. An automated arc spray tool-ing system for rapid die-making of large-sized automobile body panels[ J]. FrontMech Eng China, 2006, 20 (2):209~211.
[23] He Z Y, Lu B H, Hong J. A novel arcspraying robot for rapid tooling[ J]. Int J AdvManufTechn, 2006, 11(7):1 012~1 014.
[24] LiaoH L, Zhou Y L, BolotR. Size distribution ofparticles from individualwires and the effects of nozzle geometry in twin wire arc spraying[ J]. Surf Coat Techn, 2005, 200(5): 2 123~2 125.
[25] Xu LY, JingH Y, Huo L X. Youngs' modulus and stress intensity factor determination of high velocity electric arc sprayedmetal-based ceramic coatings[J]. SurfCoatTechn,2006, 201(6): 2 399~2 402.
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