隨著近幾十年來(lái)我國(guó)電網(wǎng)的架設(shè)鋪展,電網(wǎng)設(shè)備需要應(yīng)對(duì)的環(huán)境變得愈加復(fù)雜和嚴(yán)苛。例如我國(guó)東部沿海地區(qū)氣候?yàn)楦邷馗邼?同時(shí)伴有臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣。在長(zhǎng)期惡劣大氣環(huán)境影響下,沿海電廠和電力設(shè)備關(guān)鍵金屬部件將難以避免地發(fā)生磨損和腐蝕現(xiàn)象,嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。為了提高電力設(shè)施的耐磨耐蝕性,保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,國(guó)內(nèi)外研究者在表面防護(hù)方面做了大量的研究工作。其中,高分子涂層在電力系統(tǒng)金屬部件上獲得了應(yīng)用,但是該類涂層較金屬涂層存在很多的缺點(diǎn)：高分子涂層結(jié)合強(qiáng)度低,而金屬涂層結(jié)合強(qiáng)度是樹(shù)脂基涂層的4~8倍；高分子層易老化降解,在高溫和施工時(shí)揮發(fā)有毒氣體,金屬涂層則不存在這一缺點(diǎn)[2]。對(duì)于金屬涂層而言,其結(jié)合強(qiáng)度決定了涂層的使用壽命,如果涂層結(jié)合強(qiáng)度偏低,涂層脫落導(dǎo)致的后果非常嚴(yán)重。因此,考慮到成本和加工難度,熱噴涂金屬涂層的研究和實(shí)際運(yùn)用逐漸成為人們研究的重點(diǎn),尤其是電弧噴涂涂層[3]。電弧噴涂涂層的設(shè)計(jì)應(yīng)著重滿足以下幾個(gè)要求：一是要具備優(yōu)異可靠的耐腐蝕性能,即涂層應(yīng)具有較高級(jí)別的防腐蝕能力；二是涂層與基體應(yīng)具備較好的結(jié)合能力[4],這對(duì)于電力設(shè)備金屬關(guān)鍵部件尺寸精度,結(jié)構(gòu)及性能都至關(guān)重要。 

現(xiàn)如今,橋梁、海上設(shè)備等很多大型鋼鐵構(gòu)件已使用熱噴涂純Al涂層進(jìn)行長(zhǎng)效防腐蝕保護(hù),并取得較好的效果[5-6]。在電化學(xué)腐蝕過(guò)程中,純鋁材料因其表面會(huì)形成附著力較強(qiáng)的Al（OH）3和Al2O3膜而被廣泛應(yīng)用[7-8]。但在特殊復(fù)雜工況下,由于Al的局部溶解會(huì)使其發(fā)生不同程度的局部腐蝕[5-6]。通過(guò)電弧噴涂將適當(dāng)比例的鋁鋅絲材噴涂制成Zn-Al合金涂層,該涂層具有較好的耐蝕性,適用于潮濕鹽霧大氣腐蝕環(huán)境中金屬零部件表面長(zhǎng)效腐蝕防護(hù)[9],且在一定范圍內(nèi)隨著Al含量的增加,Zn-Al合金涂層的耐蝕性也會(huì)提高[10-11]。然而,相比于Ni基涂層,Al基涂層與Zn基涂層的結(jié)合力較低。王吉孝等[12]發(fā)現(xiàn)在6061-T6鋁合金表面噴涂的Ni-Al涂層與基體材料之間具有較高的結(jié)合強(qiáng)度,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂紋。隨著Zn基涂層中Ni含量的增加,Zn-Ni合金涂層的耐腐蝕性能增強(qiáng)[13]。Zn-Ni合金涂層適用于海洋環(huán)境中不銹鋼零部件的表面防護(hù)[14]。由此可見(jiàn),若能通過(guò)電弧噴涂工藝在Al基涂層與Zn基涂層中引入Ni元素,進(jìn)而獲得Zn-Al-Ni三元合金涂層,則有望實(shí)現(xiàn)電弧噴涂長(zhǎng)效防護(hù)涂層結(jié)合強(qiáng)度與耐腐蝕性能的進(jìn)一步提升。然而有關(guān)熱噴涂工藝制備Zn-Al-Ni三元合金涂層結(jié)合強(qiáng)度與耐鹽霧腐蝕能力等性能評(píng)價(jià)則鮮見(jiàn)報(bào)道。 

作者通過(guò)電弧噴涂方式在Q235鋼基體表面分別制備了相同厚度的純Al涂層、二元Zn-Al涂層以及三元Zn-Al-Ni涂層,采用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）分別對(duì)上述三種電弧噴涂涂層的成分、微觀組織形貌以及相組分進(jìn)行表征分析,最后采用漆膜附著力測(cè)試儀、電化學(xué)以及鹽霧試驗(yàn)分別表征三種電弧噴涂涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,以及其在模擬海水和鹽霧環(huán)境中的耐蝕性。 

1.   試驗(yàn)

1.1   涂層制備

試驗(yàn)采用的基體材料是Q235鋼,試樣尺寸為150 mm×100 mm×2 mm。用丙酮對(duì)試樣表面進(jìn)行除油、除銹等清潔處理,再用棕剛玉顆粒對(duì)試樣進(jìn)行噴砂處理,使試樣表面粗糙度達(dá)到Sa2.5及以上,從而增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度,噴砂處理后立即進(jìn)行噴涂。試驗(yàn)采用CMD-400電弧噴涂系統(tǒng)制備熱噴涂涂層,噴涂絲材為國(guó)產(chǎn)純Al絲、Zn-15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Al合金絲以及定制的Zn-15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Al-15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Ni絲,絲材直徑均為2.0 mm?？諝鈮嚎s機(jī)型號(hào)為GA30FF,噴涂壓力為0.6 MPa。通過(guò)調(diào)節(jié)電弧噴涂時(shí)間獲得厚度為100 μm的純Al涂層、Zn-Al涂層以及Zn-Al-Ni涂層,各涂層制備工藝參數(shù)如表1所示。其中,噴涂涂層厚度根據(jù)GB 11374-1989《熱噴涂涂層厚度的無(wú)損測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)采用磁性方法進(jìn)行無(wú)損測(cè)量獲得。噴涂完成后,用線切割加工出10 mm × 10 mm的小塊,制成組織分析試樣；另切割加工出150 mm × 70 mm × 2 mm中性鹽霧試樣。 

1.2   試驗(yàn)方法

采用Bruker AXS D8-Advance X射線衍射儀對(duì)試樣物相和晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)定（封閉式X射線衍射管,陽(yáng)極靶為Cu靶,管電壓40 kV,管電流30 mA）,使用連續(xù)掃描模式,掃描范圍為20°~ 90°,步長(zhǎng)為0.02°,掃描速率為5（°）/min。利用JSM6360掃描電鏡觀察各涂層的顯微形貌,同時(shí)利用X-Max Extreme型能譜儀（EDS）分析涂層的成分。涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試使用JC-073型漆膜附著力測(cè)試儀,依據(jù)GB/T 5210-1985《涂層附著力的測(cè)定法　拉開(kāi)法》標(biāo)準(zhǔn)完成。 

在3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液（模擬海水）中,采用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試,評(píng)價(jià)涂層的耐蝕性。電化學(xué)測(cè)試前,在超聲波清洗機(jī)中使用酒精對(duì)試樣進(jìn)行清洗脫脂,然后在空氣中干燥。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系：制備的涂層試樣為工作電極；飽和甘汞電極為參比電極；鉑絲為對(duì)電極。為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性,工作電極的工作面積為1 cm2,剩余表面用環(huán)氧樹(shù)脂墊片覆蓋。根據(jù)Tafel外推法,通過(guò)陽(yáng)極和陰極極化曲線線性擬合的交點(diǎn)計(jì)算腐蝕電流密度（Jcorr）和自腐蝕電位（Ecorr）。 

按照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)在腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。噴霧溶液為5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl溶液,其pH為6.5。試驗(yàn)溫度為（35±1）℃,試驗(yàn)時(shí)間為1 000 h。試驗(yàn)結(jié)束后,觀察涂層的表面形貌（是否有起泡、脫落、返銹等現(xiàn)象出現(xiàn)）,并對(duì)試樣進(jìn)行稱量,計(jì)算其質(zhì)量損失。 

2.   結(jié)果與討論

2.1   涂層顯微組織

圖1為電弧噴涂的純Al涂層、Zn-Al涂層以及Zn-Al-Ni涂層表面宏觀形貌。從圖1（a）可以看出,純Al涂層均勻覆蓋于基體材料表面,涂層表面平整,涂層顏色較淺,未呈現(xiàn)顯著的噴涂顆粒,涂層表面較為致密。從圖1（b）可見(jiàn),Zn-Al涂層的表面形貌同樣平整、致密,噴涂顆粒在基體上分布均勻,涂層顏色略深,表面粗糙程度較低。由圖1（c）可見(jiàn),Zn-Al-Ni涂層表面則呈現(xiàn)出較深的顏色,表面較為致密,噴涂顆粒在基體上分布均勻,但存在少量電弧噴涂所得的較大顆粒,表面粗糙程度高于純Al涂層與Zn-Al涂層。涂層的表面粗糙程度取決于霧化后顆粒的粗細(xì)。相對(duì)于金屬Zn和Al,金屬Ni的熔點(diǎn)較高,其霧化產(chǎn)生的微粒較為粗大,因此,遇到較冷的基體后形成的Zn-Ni-Al涂層表面粗糙程度較高。金屬Zn和Al霧化產(chǎn)生的微粒較為細(xì)小,其形成的純Al涂層與Zn-Al涂層的表面粗糙程度則相對(duì)較低。 

圖  1  電弧噴涂涂層表面宏觀形貌

Figure  1.  Macrographs of surfaces of arc-sprayed coatings: (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

圖2為電弧噴涂三種涂層的XRD譜。由圖2可以看出,純Al涂層的物相為單一面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的Al相（fcc-Al）。其中,fcc-Al相各衍射峰寬度較窄,且背底衍射較弱,這表明電弧噴涂所得純Al涂層的結(jié)晶程度較高,且晶粒尺寸較大。Zn-Al涂層具有以密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)的Zn相（hcp-Zn）為主以及少量fcc-Al相的雙相結(jié)構(gòu)。在其XRD譜中,hcp-Zn相的衍射峰強(qiáng)度較高,說(shuō)明hcp-Zn相含量較高。由于hcp-Zn相的熔點(diǎn)略低于fcc-Al相的熔點(diǎn),在噴涂過(guò)程中絲材中的Zn相更易形成噴涂離子,造成hcp-Zn相含量較高。Zn-Al涂層各衍射峰的半高峰寬同樣較小,且沒(méi)有明顯的背底衍射,這表明Zn-Al涂層具有良好的結(jié)晶能力,且晶粒尺寸則同樣相對(duì)粗大。從Zn-Al-Ni涂層的XRD譜中可以看出,該涂層的主要物相有hcp-Zn相、fcc-Ni（Al）固溶體相以及fcc-Al相。值得注意的是,在各物相的衍射峰強(qiáng)度方面,hcp-Zn相的特征峰最強(qiáng),fcc-Ni（Al）固溶體相的特征峰次之,fcc-Al相的特征峰則最弱。該結(jié)果表明,在Zn-Al-Ni涂層中,Al元素易與Ni元素結(jié)合形成Ni（Al）固溶體相。剩余未固溶的少量Al元素則形成游離的fcc-Al相。同時(shí),在三種涂層的XRD譜中均未發(fā)現(xiàn)氧化物相的衍射峰,這初步證明在電弧噴涂過(guò)程中各元素粒子均未發(fā)生顯著的氧化現(xiàn)象,所形成涂層中氧化物含量較低,這有助于涂層性能的提高。 

圖  2  電弧噴涂純Al涂層,Zn-Al涂層與Zn-Al-Ni涂層的XRD譜

Figure  2.  XRD patterns of arc sprayed pure Al coating, Zn-Al coating and Zn-Al-Ni coating

圖3為純Al涂層、Zn-Al涂層與Zn-Al-Ni涂層電弧噴涂涂層截面SEM形貌與相應(yīng)的EDS線掃描結(jié)果。從圖3中可以看出,三種涂層與基體結(jié)合界面都十分清晰,無(wú)明顯的粗大孔隙與夾雜,這說(shuō)明涂層與基體之間的結(jié)合較為良好。同時(shí),三種涂層的厚度均較為均勻,約為100 μm。涂層的致密度較高,且各層之間相互交疊堆積,呈現(xiàn)出典型的層片狀結(jié)構(gòu)。在噴涂過(guò)程中,高速飛行的高溫熔滴撞擊到基體表面時(shí),熔滴鋪展凝固在基體表面,后續(xù)粒子不斷堆疊沉積,最終形成層狀結(jié)構(gòu)。另外,從三種涂層截面EDS線掃描結(jié)果中可見(jiàn),涂層與基體界面處Fe元素含量急劇變化,基體中Fe含量較高,而涂層內(nèi)部Fe含量極低,這表明涂層與基體之間未發(fā)生明顯的元素?cái)U(kuò)散,三種涂層與基體之間的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合方式為主。同時(shí),涂層中所含其他元素沿涂層生長(zhǎng)方向的分布較為均勻,由此可知,涂層內(nèi)部未熔粒子含量和粗大孔隙含量較低,利用電弧噴涂方式制備的純Al涂層、Zn-Al涂層與Zn-Al-Ni涂層組織性能良好。 

圖  3  電弧噴涂涂層截面SEM形貌與相應(yīng)的EDS線掃描結(jié)果

Figure  3.  SEM morphology of cross-section and corresponding EDS line scan results of arc sprayed coatings: (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

電弧噴涂涂層表面SEM形貌如圖4所示。由圖4（a）可知,純Al涂層表面相對(duì)平整,表面粗糙程度較低,且涂層顆粒較細(xì),存在少量的微小孔洞,這表明純Al涂層電弧噴涂成型效果較高。由圖4（b）可知,相比于純Al涂層,Zn-Al涂層表面上下起伏較為明顯,表面粗糙程度有所增加,部分顆粒出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,表面存在少量微小孔洞。由圖4（c）可知,Zn-Al-Ni涂層的表面組織形貌同樣較為均勻、致密,熔融的金屬顆粒在基體上分布均勻,且鮮有較大的未熔顆粒存在,該涂層表面粗糙程度與Zn-Al涂層接近。 

圖  4  電弧噴涂涂層表面SEM形貌（二次電子像）

Figure  4.  SEM morphology of surfaces of arc sprayed coatings (secondary electron images): (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

對(duì)三種涂層表面整體區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析（圖略）。結(jié)果表明,純Al涂層表面Al原子分?jǐn)?shù)為97.2%,剩余元素為O,這說(shuō)明該涂層基本由純Al元素組成,且在電弧噴涂成型過(guò)程中未發(fā)生顯著氧化現(xiàn)象。Zn-Al涂層表面的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)）為67.7 % Zn、24.7%Al,剩余元素為O,該涂層的化學(xué)成分基本與絲材Zn-15%Al一致,這表明在噴涂過(guò)程中Zn和Al元素幾乎同時(shí)熔融且噴射至基體表面,形成元素分布均勻的Zn-Al涂層,同時(shí)結(jié)合XRD分析結(jié)果可知,該涂層未產(chǎn)生顯著的氧化現(xiàn)象。Zn-Al-Ni涂層表面的化學(xué)成分（原子分?jǐn)?shù)）為60.2%Zn、23.1%Al、11.2%Ni,其余為O元素,由此可知電弧噴涂所得Zn-Al-Ni涂層的化學(xué)成分與絲材Zn-15%Al-15%Ni的化學(xué)成分較為相近,且較低的O含量表明在電弧噴涂過(guò)程中涂層內(nèi)部存在較少的氧化物,這有助于涂層成型質(zhì)量的提高。 

為了較為方便地表征涂層各區(qū)域化學(xué)成分的變化情況,對(duì)各區(qū)域進(jìn)行EDS能譜分析,分析位置見(jiàn)圖5,分析結(jié)果見(jiàn)表2。結(jié)果表明,Zn-Al涂層大部分區(qū)域呈現(xiàn)出亮白色襯度,該較亮區(qū)域（區(qū)域1）以Zn元素為主,而Al與O元素含量則相對(duì)較低。區(qū)域2所代表的較暗襯度區(qū)域則以Al元素為主,含有少量的Zn元素與O元素。結(jié)合XRD分析結(jié)果可知,涂層具有以hcp-Zn相為主的復(fù)合結(jié)構(gòu),占大部分面積的較亮區(qū)域?yàn)閔cp-Zn相,而fcc-Al相則彌散地分布在hcp-Zn相中,且O元素易與Al元素形成少量的氧化物相。Zn-Al-Ni涂層則存在大面積淺灰色襯度區(qū)域（區(qū)域3）。該區(qū)域以Zn和Ni元素為主,且含有一定量的Al元素。結(jié)合XRD分析結(jié)果可知,該區(qū)域Al元素大量固溶于Ni元素中,形成fcc-Ni（Al）固溶體相,并組成與hcp-Zn相結(jié)合的復(fù)合相組織。區(qū)域4代表的暗深灰色襯度區(qū)域中未固溶的Al元素含量較多,且具有一定含量的Zn元素和Ni元素。結(jié)合XRD分析可以推測(cè),該區(qū)域以fcc-Al相為主,且具有一定含量的hcp-Zn和fcc-Ni（Al）相,且含有少量的氧化物相。綜上可知,Zn-Al涂層和Zn-Al-Ni涂層中各相分布較為均勻,且氧化物含量較低,因此涂層成型質(zhì)量良好,這有助于涂層性能的改善。 

圖  5  電弧噴涂涂層表面EDS能譜分析區(qū)域（背散射電子像）

Figure  5.  EDS analysis regions on arc sprayed coating surfaces (backscattered electron images): (a) Zn-Al coating; (b) Zn-Al-Ni coating

2.2   涂層結(jié)合強(qiáng)度

在涂層厚度相同的情況下,三種涂層的平均結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比如表3所示。經(jīng)計(jì)算可知,Zn-Al-Ni涂層與Q235基體的結(jié)合強(qiáng)度最高,平均結(jié)合強(qiáng)度為1.60 MPa,然后依次是Zn-Al涂層（5.87 MPa）和純Al涂層（4.22 MPa）。對(duì)于Zn-Al-Ni涂層,Ni元素的引入導(dǎo)致涂層整體結(jié)合強(qiáng)度提升,所有斷裂位置均在涂層與基體之間,測(cè)量結(jié)果均為有效。結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后三種涂層斷口形貌如圖6所示。Zn-Al-Ni涂層的結(jié)合強(qiáng)度較高,斷裂發(fā)生在涂層與基體之間,純Al涂層和Zn-Al涂層的結(jié)合強(qiáng)度較低,斷裂位置發(fā)生在涂層內(nèi)部,涂層有翹起現(xiàn)象。影響涂層結(jié)合強(qiáng)度的主要因素包括噴涂材料種類、噴涂距離、噴槍移動(dòng)速率、噴涂粒子速率和涂層厚度等。研究發(fā)現(xiàn),機(jī)械結(jié)合是電弧噴涂涂層與基材的主要結(jié)合方式,即熔滴粒子撞擊到基材表面時(shí),通過(guò)拋錨作用與基材形成的結(jié)合。此外,涂層與基材間還存在擴(kuò)散結(jié)合、物理結(jié)合等結(jié)合方式。三種涂層中Zn-Al-Ni涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高,這主要?dú)w因于以下方面：首先,電弧噴涂Zn-Al-Ni涂層所需電弧電流高于純Al和Zn-Al涂層,電弧噴涂電流越高,電弧噴涂溫度越高,金屬絲材霧化粒子所含的熱焓就越多,這提升了絲材的熔化速率與霧化熔滴溫度。當(dāng)熔融金屬粒子高速飛行陸續(xù)撞擊基體表面形成涂層時(shí),撞擊基體表面產(chǎn)生的變形越大越有利于熔滴粒子在基材或涂層表面的鋪展,促進(jìn)液滴填充孔隙,提高涂層的致密度和粒子之間的內(nèi)聚力,使涂層與基材表面的凹凸點(diǎn)形成更好的機(jī)械嵌合,涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度得到提高；其次,Zn-Al-Ni涂層噴涂時(shí)合金絲中Ni（Al）固溶體相具有自熔合特點(diǎn),當(dāng)熔滴和基材的結(jié)合點(diǎn)溫度足夠高時(shí),涂層與基體產(chǎn)生微冶金結(jié)合[15-16]；相同厚度下,Zn-Al涂層和純Al涂層與基體之間以單一機(jī)械結(jié)合的方式結(jié)合,Zn-Al-Ni涂層與基體之間的微冶金結(jié)合能夠顯著提高涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度。因此在上述兩方面影響下,Zn-Al-Ni涂層中Ni元素的存在可顯著提高Zn基涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。 

圖  6  結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后電弧噴涂涂層斷口形貌

Figure  6.  Fracture morphology of arc sprayed coatings after adhesive strength testing: (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

2.3   涂層耐蝕性

圖7為電弧噴涂涂層與Q235鋼基體在3.5%NaCl溶液中的極化曲線,依此計(jì)算所得自腐蝕電位與腐蝕電流密度,如表4所列。Q235鋼基體的自腐蝕電位為-1.01 V,純Al涂層的自腐蝕電位提升至-0.78 V,這說(shuō)明相比于Q235鋼基體,純Al涂層的耐腐蝕性能有所提升。在腐蝕電流密度方面,純Al涂層的腐蝕電流密度明顯最低。同時(shí),在純Al涂層極化曲線上可看到一定的鈍化區(qū)域,其原因可能是Al元素活潑性低于Zn元素,更易發(fā)生鈍化,其腐蝕產(chǎn)物Al2O3比ZnO更致密、更耐腐蝕,最終形成的Al（OH）3等腐蝕產(chǎn)物也更為致密[6],能夠有效保護(hù)基體材料,從而導(dǎo)致腐蝕電流密度下降。因此,電弧噴涂純Al涂層能夠顯著改善Q235鋼在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。與Q235鋼基材比,Zn-Al涂層的自腐蝕電位降低,腐蝕電流密度增大,表明其在NaCl溶液中的耐蝕性降低。雖然在3.5%NaCl溶液中Zn-Al涂層的耐蝕性較低,但其仍發(fā)生了鈍化現(xiàn)象,表面形成了高密度的ZnO和Al2O3等氧化物,從而防止溶液中離子的擴(kuò)散。由于Zn-Al涂層中Zn具有較強(qiáng)的化學(xué)活性,其很容易與H2O反應(yīng)生成Zn（OH）2,從而在涂層表面形成鈍化膜。相對(duì)于Q235鋼基材而言,Zn-Al-Ni涂層的自腐蝕電位有所上升,腐蝕電流密度顯著降低,這表明電弧噴涂Zn-Al-Ni涂層有助于全面提升基材的耐蝕能力。在鈍化區(qū)外,金屬氧化膜會(huì)被破壞,Cl-會(huì)透過(guò)涂層的內(nèi)部缺陷,引起基體腐蝕。所以,將部分Ni元素添加到電弧噴涂Zn-Al涂層中,有助于涂層自腐蝕電位的提高,且在保證涂層較為致密的前提下,與腐蝕介質(zhì)反應(yīng)生成較為致密的氧化物,從而有效減緩腐蝕速率。 

圖  7  電弧噴涂涂層與Q235鋼基體在3.5%NaCl溶液中的極化曲線

Figure  7.  Polarization curves of arc sprayed coatings and Q235 steel substrate in 3.5% NaCl solution

圖8為經(jīng)1 000 h中性鹽霧試驗(yàn)后Q235鋼基體與電弧噴涂涂層表面宏觀形貌,表5為其質(zhì)量損失。對(duì)鹽霧腐蝕后試樣表面進(jìn)行XRD分析、掃描電鏡觀察和EDS分析,結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10和表6。 

圖  8  經(jīng)1 000 h中性鹽霧試驗(yàn)后Q235鋼基體與電弧噴涂涂層表面宏觀形貌

Figure  8.  Macrographs of surfaces of Q235 steel substrate and arc sprayed coatings after neutral salt spray test of 1 000 h: (a) Q235 substrate; (b) pure Al coating; (c) Zn-Al coating; (d) Zn-Al-Ni coating

圖  9  經(jīng)1 000 h中性鹽霧試驗(yàn)后電弧噴涂涂層表面的XRD譜

Figure  9.  XRD patterns results of arc sprayed coating surfaces after neutral salt spray test of 1 000 h: (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

圖  10  經(jīng)1 000 h中性鹽霧試驗(yàn)后電弧噴涂涂層的表面微觀形貌與EDS分析位置

Figure  10.  Micro morphology of arc sprayed coating surfaces after neutral salt spray test of 1 000 h and EDS analysis positions: (a) pure Al coating; (b) Zn-Al coating; (c) Zn-Al-Ni coating

經(jīng)1 000 h鹽霧腐蝕后,未電弧噴涂處理的Q235鋼基體表面出現(xiàn)大量的紅銹,且質(zhì)量損失較為嚴(yán)重,這表明Q235鋼基體的耐蝕性較低,出現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。經(jīng)1 000 h鹽霧腐蝕后,純Al涂層邊緣出現(xiàn)少量銹跡,有輕微腐蝕痕跡。純Al涂層表面由于形成了附著較強(qiáng)的Al（OH）3和Al2O3腐蝕產(chǎn)物膜,相對(duì)致密的腐蝕產(chǎn)物膜使腐蝕介質(zhì)難以進(jìn)入涂層內(nèi)部,從而阻礙了鹽霧腐蝕過(guò)程,因此純Al涂層有助于改善Q235鋼的抗鹽霧腐蝕性能。 

經(jīng)1 000 h鹽霧腐蝕后,相同噴涂厚度的Zn-Al涂層表面出現(xiàn)腐蝕坑,有少量腐蝕痕跡。造成這種現(xiàn)象的原因是大量Zn被氧化為Zn2+后轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒依喂痰腪n5（OH）6（CO3）2、Zn（OH）2及ZnO的混合物[17]。涂層表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋區(qū)域較為廣泛,且腐蝕產(chǎn)物存在一定裂紋,因此相同噴涂厚度下Zn-Al涂層的耐鹽霧腐蝕能力低于純Al涂層,但其仍能在一定程度上改善Q235鋼基體的耐鹽霧腐蝕能力。 

經(jīng)1 000 h鹽霧腐蝕后,相同噴涂厚度的Zn-Al-Ni涂層表面有腐蝕痕跡和極少量銹跡,且質(zhì)量損失最低,呈現(xiàn)出良好的耐鹽霧腐蝕能力。這是因?yàn)閆n-Al-Ni涂層與基體之間結(jié)合較緊密,鹽霧不易滲透到基體與涂層結(jié)合界面。此外,Zn-Al-Ni涂層與腐蝕介質(zhì)反應(yīng)生成的NiO等腐蝕產(chǎn)物,能夠有效降低腐蝕速率,從而最大程度地避免了在涂層內(nèi)部出現(xiàn)加速腐蝕的現(xiàn)象,進(jìn)而提高了涂層的耐鹽霧腐蝕能力。 

綜上所述,在相同噴涂厚度下Zn-Al-Ni與純Al涂層均具有良好的耐鹽霧腐蝕性能。 

3.   結(jié)論

利用電弧噴涂技術(shù)在Q235鋼基材表面分別制備了相同厚度的純Al、二元Zn-Al以及三元Zn-Al-Ni涂層,并對(duì)三種涂層的顯微組織、與基體結(jié)合強(qiáng)度以及耐蝕性進(jìn)行對(duì)比研究,主要結(jié)論如下： 

（1）純Al、Zn-Al以及Zn-Al-Ni三種涂層表面形貌均較為平整致密,無(wú)顯著氧化物顆粒存在,具有良好的電弧噴涂成型質(zhì)量。純Al涂層以單一fcc-Al相為主,Zn-Al涂層中少量的fcc-Al相組織較為彌散地分布于hcp-Zn相組織中,而Zn-Al-Ni涂層則以hcp-Zn,fcc-Ni（Al）為主,少量fcc-Al相較為彌散分布于各相內(nèi)部。三種涂層均呈現(xiàn)較高的結(jié)晶程度以及較大的晶粒尺寸。 

（2）在相同噴涂厚度下,相比于純Al涂層與Zn-Al涂層,Zn-Al-Ni涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度高,這是由于電弧噴涂制備Zn-Al-Ni涂層過(guò)程中需要溫度較高,霧化形成微粒更細(xì)小,且涂層內(nèi)部的Ni（Al）相能夠與基體之間產(chǎn)生微冶金結(jié)合。因此在上述兩方面影響下,Zn-Al-Ni涂層中Ni元素的存在可顯著提高Zn基涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。 

（3）電弧噴涂純Al和Zn-Al-Ni涂層在3.5% NaCl溶液中的自腐蝕電位比Q235鋼基體高,腐蝕電流密度比Q235鋼基體低,這兩種涂層有助于全面改善Q235鋼基材在腐蝕介質(zhì)中的耐蝕能力。相比于同一厚度的Zn-Al涂層,Zn-Al-Ni涂層與基體之間結(jié)合強(qiáng)度較高,鹽霧不易滲透至基體與涂層結(jié)合界面,因此Zn-Al-Ni涂層呈現(xiàn)出良好的耐鹽霧腐蝕性能。

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