某新型航空涂料海洋环境下耐蚀性试验研究

2022-03-21刘治国张世录李心舒王莉

环境技术 2022年1期

刘治国，张世录，李心舒，王莉

（1.海军航空大学青岛校区，青岛 266041； 2. 91001部队，北京 100000）

引言

航空装备在服役过程中易受环境影响而发生腐蚀问题，主要预防的措施包括防腐蚀结构设计、耐蚀性材料选择以及涂覆防腐涂层/涂料。其中工程上应用的防腐涂层/涂料主要有环氧树脂型涂料、橡胶型涂料、聚氨酯类涂料、有机硅类涂料等类型，但上述涂料在高温、高湿、高盐雾以及强紫外照射的典型海洋性环境中，也会随着服役周期延长而发生腐蚀失效，主要表现为龟裂、鼓泡、甚至脱落，丧失其防护能力，涂料腐蚀失效的直接后果是航空装备结构材料本体开始腐蚀。因此，近年来随着多型航空装备开始在沿海或海洋环境下服役，航空装备防腐涂层/涂料的海洋性服役环境下腐蚀失效行为研究逐渐变得愈发重要[1]，对工程应用而言，该领域研究的主要方向是探究涂料本体在海洋性环境下腐蚀失效的行为规律和腐蚀机理，由此反馈至涂料设计、生产部门，改进其设计理念与生产工艺，最终提高其腐蚀防护水平、延长航空装备服役寿命、保证航空装备完好率。

鉴于上述阐述，本文结合某型航空装备海洋环境适应性研究工作，以其涂覆的新型涂料（电泳加ceO2，下同）为研究对象，根据服役海域海洋环境和仿真加速腐蚀试验环境谱[2,3]方法设计了加速腐蚀试验环境条件，依此开展合金钢基材涂敷该涂料试件8个当量日历年限[3]下的仿真加速腐蚀试验，并对每个腐蚀当量日历年限后的涂料试件再开展电化学腐蚀试验，在此基础上，结合腐蚀形貌观测和电化学阻抗[4]分析技术，对试验结果进行分析，探究该新型涂料在典型海洋环境下的耐蚀性，为其后续工程应用提供试验验证与分析依据。

1 涂料试件仿真加速腐蚀试验

1.1 仿真加速腐蚀试验环境条件设计

依据文献[3]中仿真加速腐蚀试验环境谱编制方法，对所研对象后续拟服役的地域/海域典型环境因素进行简化选取、量值统计、作用强度计算分析，设计确定仿真加速腐蚀试验环境条件如下：①湿热环境：RH=90 %、温度T=40 ℃的高温、潮湿空气，模拟服役环境中的湿热环境作用；②介质环境：cl-和S2-介质，5 %Nacl(质量百分比)水溶液掺入稀H2SO4，使其pH=4±0.2，模拟海洋环境中盐雾和含SO2工业废气或酸雨的作用。试验环境条件的作用强度和作用规律如图1所示，其物理含义为：在溶液环境中作用1.8 min、温湿环境中作用10.5 min、相互交替循环335次、累计时间约69 h的腐蚀失效程度，与合金钢基材涂敷该涂料试件在海洋服役环境中1年的腐蚀失效程度相当。

1.2 试件仿真加速腐蚀试验

依据图1的仿真加速腐蚀试验条件，实验室采用ZJF-75G周期浸润腐蚀试验箱，开展涂料试件仿真加速腐蚀试验。试件为同批次加工，数量为40件，随机分为8组，每组5个，留一组不做腐蚀试验，其余8组分别开展1至8个当量日历年限的加速腐蚀试验。试件原始形貌如图2所示。

图1 试件仿真加速腐蚀试验环境条件

图2 试件原始形貌

每个当量年限试验完成后，对试件进行清洗，从5个试件中随机选取典型腐蚀损伤区域，采用采用KH-7700三维显微镜对其腐蚀形貌进行观测。

1.3 试件预腐蚀后电化学试验

腐蚀形貌观测完成后，将合金钢涂敷涂层试件加工成三电极电化学试件，采用普林斯顿4000电化学工作站对试件开展3.5 %（质量百分比）的Nacl溶液标准三电极电化学试验，测取其阻抗谱。试验参数为：正弦扰动信号的幅值为10 mV，实验过程中的阻抗谱测试频率选取0.01 Hz至100 000 Hz。试件与试验如图3所示。

图3 试件与电化学试验

2 涂料试件腐蚀形貌演变规律

各个当量年限下试件宏观腐蚀形貌如图4所示。

图4 试件宏观腐蚀失效形貌

在加速腐蚀试验过程中，试件表面的涂层在第6个当量日历年限前，基本没有腐蚀发生。从第6当量日历年限开始，试件表面的涂料逐渐发生泛黄变色，至后期第8当量日历年限，试件边缘普遍存在涂料掉块、起泡与脱落的腐蚀失效现象。

3 涂料电化学行为规律

电化学阻抗技术也称交流阻抗法，是通过控制电化学系统的电流（或电压），时间按小振幅正弦规律变化，测量电化学系统随时间相应的电压（或电流）的变化，或者测量电化学体系的阻抗，进而测量体系（介质/涂膜/金属）的反应机理、析拟合测量体系的电化学参数[4-6]。

电化学阻抗谱（EIS）是腐蚀科学中一种重要的频率域研究测试方法，是研究金属电化学腐蚀动力学、金属和涂层的腐蚀机制及耐蚀性能的重要方法之一[7,8]。利用电化学阻抗谱技术我们可以得到涂层试件电化学试验的Nyquist图谱和Bode图谱，通过EIS基本特征参数的分析可以大体知道涂层的防护性能变化。将各个周期下电化学试验结果综合，得到典型腐蚀周期下涂料试件的Nyquist图和Bode图的演变规律，分别见图5所示。

图5 涂料阻抗谱分析

4 分析与讨论

从EIS基本图谱中分析我们看到，第二周期时电泳加ceO2粉体涂料试件Nyquist图呈现出双容抗弧。随着实验周期数的增加，涂料容抗弧逐渐下降，且下降的趋势逐渐变缓，说明电泳加ceO2粉体涂料防护性能在腐蚀环境下还具有一定缓冲能力。

具体来说，涂料低频阻抗模值|Z|0.1Hz约等于溶液电阻、微孔电阻、以及电荷转移电阻之和，也可以用低频模值|Z|0.1Hz来有效评价涂层的防护性能。电泳加ceO2粉体涂料低频下的阻抗模值|Z|0.1Hz从第2周期状态下的4.46×104Ω·cm2到第8周期时为2.10×104Ω·cm2，说明涂料的防护性能呈下降趋势变化。但在整个腐蚀周期内，Nyquist图上未发现与x轴成大约45 °角的扩散阻抗尾，说明涂料防护性能虽有下降，但整体防护性能较为稳定。

上述低频模值的变化趋势，与涂料整体宏观腐蚀过程相联系来看，电泳加ceO2粉体涂料电在腐蚀过程中表面没有发生剥落现象，溶液中的各种离子不易渗透到涂层内部导致腐蚀反应发生，但第6周期到第8周期时阻值有大幅度下降趋势，是由于涂层表面出现多处蚀坑，边角腐蚀严重，涂层吸水能力增强，腐蚀速率上升，各种离子渗入涂层内部导致涂料防护性能下降。