火焰喷涂铝涂层

昌 霞，韩付会，张小彬，黄伟九

(重庆理工大学材料科学与工程学院，重庆 400054)

热喷涂技术由于可以快速地在基体上沉积耐磨、耐蚀等功能的涂层而受到广泛关注。氧－乙炔火焰喷涂技术是利用燃气(乙炔)与助燃气(氧气)燃烧产生的热量加热丝状或粉末态喷涂材料，使其达到熔融或软化状态，借助火焰流动或喷射加速气体，将喷涂材料喷射到经预处理的基体表面，形成涂层的工艺方法。火焰喷涂是一种常用的喷涂方法，它具有价廉、节能、高效、灵活等特点，其操作简单、方法容易掌握，因而应用广泛［1－3］。

热喷涂技术应用于钢结构的腐蚀防护始于20世纪30年代，用于海洋环境中金属结构的防护。德国于1935年应用喷铝加富锌底漆加沥青面漆的保护层体系，对升船机进行保护［4］。热喷涂铝涂层的研究是开发钢结构长效耐腐蚀的重要内容［5－7］。长期研究发现，铝涂层不论涂层封闭与否，在海水、海洋大气、工业大气中，均能保证钢铁构件在19年内不腐蚀［8］。

本文通过氧－乙炔火焰喷涂技术，在Q235基体上制备铝涂层，通过表面形貌分析、热震性测试、盐水浸泡实验、极化曲线分析等来研究火焰喷涂铝涂层的性能，从而加深对铝涂层的研究，为进一步提高铝涂层对钢结构耐腐蚀性能提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

基体材料为Q235钢，用丙酮清洗基体，除去要喷涂面的污垢，如氧化皮、油脂和尘埃。然后对表面进行喷砂粗化处理，最终得到表面粗糙、清洁的试样，尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。喷涂材料为纯铝丝。

1.2 实验方法

采用氧－乙炔火焰喷涂方法进行喷涂，喷涂参数:氧气压力 0.4 ～0.6 MPa，乙炔压力 0.05 ～0.07 MPa，空气压力 0.4 ～ 0.6 MPa，喷粉距离120～150 mm，喷涂角 60°～90°，预热温度 60 ～100℃，涂层厚度100 ～150 μm。

制取金相试样，并镶嵌、磨平、抛光，用金相显微镜、体视显微镜对喷涂后的试样进行形貌观察和分析;将试样放入箱式电炉中，从150～450℃每隔50℃加热，保温30 min后取出空冷，进行热震性测试。同一试样经反复加热冷却，观察表面是否有起皮剥落现象。实验通过在3.5%NaCl溶液中浸泡的方法对涂层的耐蚀性能进行测试。使用极化曲线分析涂层的耐蚀机理。

2 实验结果及分析

2.1 表面形貌分析

由图1可见涂层呈粒片状的积层。由于高温粒子和已凝固粒子的粘附，使涂层由许多微粒构成，表面凹凸不平较粗糙，存在一些孔隙和凹坑。涂层与基体呈波浪状冶金结合，这是由喷砂造成的粗糙度引起的。

涂层厚度大约为150 μm。涂层的厚度直接影响涂层的耐蚀性能、基体的结合力以及涂层的成本。涂层如果太薄，不易形成完整隔离层，一旦有一处涂层发生破坏，则整个涂层的耐蚀性能显著下降;如果太厚，则形变应力过大，使涂层发生剥落［9］。

图1 铝涂层表面形貌

2.2 抗热震性能分析

由表1可知，同一试样经反复加热冷却，发现Q235表面铝涂层与基体结合良好，未发生起皮剥落现象，表明涂层与基体结合牢固。

表1 抗热震性能实验现象

2.3 耐腐蚀性能分析

2.3.1 盐水浸泡实验分析

实验结果见表2和图2。

表2 试样在3.5%NaCl中性溶液浸泡实验现象

图2 浸泡后的数码照片

从浸泡实验的结果看，铝涂层提高了Q235钢基体的耐腐蚀性能。铝涂层能与氧或含氧气体发生化学反应，生成致密的“钝化膜”。这种氧化膜致密坚韧，化学稳定性好，铝粉颗粒之间紧密接触，作为一种牺牲阳极来保护基体，而本身氧化物又起一种封闭作用，阻止腐蚀介质的渗入［10－11］。铝涂层首先可以在界面上形成连续的富铝区域，可以作为屏障起到阻碍腐蚀的作用［12］。

2.3.2 极化曲线分析

图3给出了Q235钢基体和铝涂层在3.5%NaCl水溶液中测试的极化曲线。由Tafel拟合曲线可以计算出基体的腐蚀电位(Ecorr)为－792.87 mV，铝涂层的 Ecorr为 －663.14 mV，两者相比较铝涂层大约正移了130 mV;基体的腐蚀电流(Icorr)为90.419 μA/cm2，铝涂层的 Icorr为 79.287 μA/cm2，可见Q235钢表面喷涂铝涂层后耐蚀性得到了较大提高。当然最好对铝涂层进行封孔或者扩散处理，减少涂层的孔隙，提高致密度，以期彻底隔离基体与外界的腐蚀介质。

图3 极化曲线

3 结论

1)铝涂层表面凹凸不平较粗糙，且与基体呈波浪状冶金结合。

2)Q235钢经火焰喷涂铝涂层后，基体与涂层结合牢固，耐腐蚀性能大大提高。

［1］罗静，张微，孙智富，等.汽车零部件表面电弧喷涂铝涂层的研究［J］.铸造技术，2009，30(2):272 －274.

［2］叶宏，孙智富，吴超云.镁合金表面热喷涂Al-Al2O3/TiO2梯度涂层研究［J］.武汉理工大学学报，2006，28(7):9－11.

［3］王涛，赵淑金.Mg-8.5Li合金表面氧－乙炔火焰喷涂铝涂层的研究［J］.轻合金加工技术，2010，38(6):42－44.

［4］程军胜，赵杰，孟辉.大型钢结构表面热喷涂防腐技术的现状与进展［J］.公路，2006(2):36－39.

［5］华绍春，王汉功，汪刘应，等.热喷涂技术的研究进展［J］.金属热处理，2008，33(5):82 －87.

［6］Petrovicova E，Knight R，Schadler L S，et al.Nylon 11/silica nanocomposite coatings applied by the HVOF process .Ⅱ.Mechanical and barrier properties［J］.Journal of Applied Polymer Science，2000，78:2272 －2289.

［7］李言涛，黄彦良，侯保荣.海洋钢铁件锌铝喷涂技术典型工程实例回顾［J］.材料保护，2005(4):51－53.

［8］陈阶亮.桥梁钢结构防腐蚀技术探析［J］.钢结构，2002，17(5):60 －62.

［9］张津，孙智富.AZ91D镁合金表面热喷涂铝涂层研究［J］.中国机械工程，2002，13(23):2057 －2058.

［10］常森，张宝红，徐宏妍.镁合金表面热喷涂铝的防腐蚀研究［J］.热加工工艺，2011，40(14):124 －127.

［11］YANG Y，WU H.Improving the wear resistance of AZ91D magnesium alloys by laser cladding with Al-Si powders［J］.Materials Letters，2009，63(1):19 －21.

［12］Westengen H，Bakke P，Albright D.Advances in magnesium alloy development［J］.Die Casting Engineer，2005，49(6):26－32.