建筑管道的表面喷涂与耐蚀性能研究

时间：2017-07-07 16:46:47 来源：铸造技术作者：姜世坤，张居奎，解艳东

摘要：以Al粉、Zn粉和Al2O3粉为原料，对在建筑用Q235管道表面进行冷喷涂处理，对比分析了3种冷喷涂涂层的宏观形貌、涂层厚度、涂层硬度和电化学性能。结果表明，在相同的冷喷涂工艺下，3种涂层的厚度从高至低依次为：Al>Al-50Al2O3>Al-50Zn。Al涂层、Al-50Zn涂层和Al-50Al2O3涂层都可以对建筑管道提供阴极保护，但是相比较而言，冷喷涂Al-50Zn涂层的耐腐蚀性能相对其它两种涂层更为稳定和优异。
关键词：建筑管道；表面喷涂；耐腐蚀

    一般建筑管道是为了满足人们生活使用需要服务的。如：自来水管道、家庭废水管道、污水排放管道、天然气管道及暖气管道等。由于使用环境较为复杂，在日常使用过程中经常受到外来介质的浸蚀而产生泄露、破裂等失效行为[1]，目前较为实用的方法是在建筑管道表面进行表面防护，其中，金属涂层能够在较为苛刻的环境中达到将腐蚀性介质与管道基材隔离的作用，从而作为一种阳极涂层来保护管道不受到腐蚀等破坏[2,3]。我国目前在冷喷涂技术上的研究较多，但是大部分仍然处于研究阶段，离实际应用还有一定的距离，在建筑管道上开展冷喷涂技术研究，可为新型抗腐蚀的建筑管道带来巨大的收益[4]，且可为后续的的高性能建筑管道的表面防护技术的广泛应用提供重要的参考依据。

1 材料与方法

    Q235钢作为建筑管道常用的材料，在实际使用过程中腐蚀较为严重，截取尺寸为40mm×10mm×3mm试样进行表面冷喷涂涂层制备，喷涂前需要对基材表面进行清洗和烘干处理，然后对表面喷砂处理4min。冷喷涂所用到的粉末包括Al粉、Zn粉和Al2O3粉，主要元素化学成分如表1，基材管道的金相组织如图1，组织为热轧态铁素体和珠光体。
采用冷喷涂设备在建筑管道表面进行了冷喷涂处理，喷涂粉末预先在烘干箱中进行120℃保温30min的热处理，高压空气作为载气，不同粉末的冷喷涂工艺参数都设定为：载气温度380℃、载气压力2.8MPa、冷喷涂距离24mm。
    冷喷涂粉末的表面形貌和截面厚度采用钨灯丝电镜进行观察；采用数码相机对建筑管道表面喷涂进行宏观形貌拍摄；涂层显微硬度采用数显显微硬度计进行测试；在管道基材一侧用导线焊接，并使用环氧树脂将涂层表面以外部分进行密封，露出1cm×1cm工作面积进行电化学性能测试，电化学性能测试在电化学工作站中进行，介质为3.5%NaCl溶液，温度为室温，标准三电极体系，工作电极为涂层、参比电极为饱和甘汞、辅助电极为Pt，扫描速率为 10mV/min。

2结果与讨论

    图2为3种冷喷涂粉末的扫描电镜显微形貌。对于冷喷涂Al粉末，外形为规则的类球形，粒度范围在20μm~60μm；对于冷喷涂Zn粉末，外形为较规则的球形，粒度范围在5~35μm；对于冷喷涂Al2O3粉末，主要呈现出多角形，粒度范围在15~55μm。其中，前两种粉末采用等离子雾化法制备，而Al2O3粉末采用电熔烧结法制备。
    对采用不同冷喷涂粉末制备的涂层宏观形貌进行观察，结果如图3。对于冷喷涂Al涂层，表面涂层中未见明显缺陷，涂层已经较为致密的覆盖住管道基体，但是仍然可见一定数量的凹坑；对于冷喷涂Zn涂层，表面涂层中有少量凹坑，但是总体较为平整；对于冷喷涂Al2O3涂层，表面凹坑较浅，整体光滑度较高，涂层与基材紧密咬合在一起，没有明显缺陷存在。3种冷喷涂涂层都较好地覆盖住管道基材，且致密度较高，表面喷涂中没有发现明显缺陷存在。表2为3种冷喷涂涂层横截面的厚度。对于冷喷涂Al涂层，厚度分布在1621~1693μm，平均涂层厚度为1647μm；对于冷喷涂Zn涂层，厚度分布在145~163μm，平均涂层厚度为152μm；对于冷喷涂Al2O3涂层，厚度分布在353~361μm，平均涂层厚度为351μm。可见，在相同的冷喷涂工艺下，3种涂层的厚度从高至低依次为：Al>Al-50Al2O3>Al-50Zn。
对于冷喷涂Al涂层，表面硬度为44.6HV~48.6HV，平均涂层硬度为46.4HV；对于冷喷涂Zn涂层，表面硬度分为54.8~63.8HV，平均涂层硬度为60.6HV；对于冷喷涂Al2O3涂层，表面硬度为62.1~68.8HV，平均涂层硬度为66.1HV。由此可见，在相同的冷喷涂工艺下，3种涂层的硬度从高至低依次为：Al-50Al2O3>Al-50Zn>Al。
    图4为建筑管道基材和冷喷涂涂层的自腐蚀电位随时间的变化关系。可以看出，对于建筑管道基材而言，在3.5%NaCl溶液中浸泡的开始阶段，自腐蚀电位较正，且明显高于初始浸泡阶段的冷喷涂Al涂层、Zn涂层和Al2O3涂层，在浸泡时间达到24h后，管道基材的自腐蚀电位趋于平稳，基本稳定在0.65V附近，由此可见，管道基材在浸泡24h后进入了均匀腐蚀阶段；冷喷涂Al涂层的初始电位相对较低，最低处达到了-0.89V，并随着浸泡时间的延长而不断发生正向移动，这可能是由于Al涂层在空气中形成了致密氧化膜，在一定程度上减缓了自腐蚀行为的发生[5,6]，当浸泡时间达到100h时的腐蚀电位达到-0.75V，此时的氧化膜遭到腐蚀介质的破坏，引起涂层发生了快速腐蚀[7]；对于冷喷涂Al-50Zn涂层，开始阶段波动幅度较小，一段时间后发生正向移动后又开始负向移动，在浸泡时间达到100h时的腐蚀电位趋于稳定；对比3种涂层的自腐蚀电位曲线可知，在整个浸泡周期内，冷喷涂Al-50Zn涂层的腐蚀电位要远低于冷喷涂Al涂层和Al-50Al2O3涂层，这就说明在Al涂层中加入一定含量的Zn会降低复合涂层的自腐蚀电位，而加入Al2O3不会明显改变复合涂层的自腐蚀电位。从4组自腐蚀电位曲线中可见，冷喷涂Al涂层、冷喷涂Al-50Zn涂层和冷喷涂Al-50Al2O3涂层都可以对建筑管道提供阴极保护，但是相比较而言，冷喷涂Al-50Zn涂层的耐腐蚀性能相对其它两种涂层更为稳定和优异。

3 结论

    （1）在相同的冷喷涂工艺下，3种建筑管道涂层的厚度从高至低依次为：Al>Al-50Al2O3>Al-50Zn。
    （2）在相同的冷喷涂工艺下，3种建筑管道涂层的硬度从高至低依次为：Al-50Al2O3>Al-50Zn>Al。
    （3）冷喷涂Al涂层、冷喷涂Al-50Zn涂层和冷喷涂Al-50Al2O3涂层都可以对建筑管道提供阴极保护，但是相比较而言，冷喷涂Al-50Zn涂层的耐腐蚀性能相对其它两种涂层更为稳定和优异。

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