金属基陶瓷复合涂层制备研究

2023-02-18张庆海于春雨李文博

科技创新与应用 2023年3期

张庆海，于春雨，李文博

（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266520）

金属材料广泛应用于人们日常生产生活中[1-2]，环境因素如湿度、盐雾和辐射等对其腐蚀，影响其使用寿命[3]，轻则造成经济损失，重则产生安全隐患[4]。有资料显示，全球范围每年因腐蚀产生的损失占国民生产总值GDP 的5%左右[5-6]。我国海洋产业的腐蚀损失在全国全部腐蚀损失中的占比约为1/3[7]，若采取切实有效的措施，可减少近6 000 亿元的经济损失[8]。可见，金属防腐蚀尤为必要。

常用的方法主要有阴极保护法和镀覆保护涂层[9]。其中，阴极保护防腐主要将被保护金属作为阴极，将腐蚀电位低的金属或合金作为阳极，以牺牲阳极为代价进行防腐[10]。镀覆保护涂层防腐是利用涂层材料在金属表面形成致密的膜，将金属与外界环境分隔[11]，以减少金属的腐蚀。在众多传统有机涂层中，有机硅树脂因附着力相对较弱，使得防腐效果不理想；环氧树脂固化后脆性较大，易被自然环境中的氯离子等侵袭，而产生缺陷；因此，开发防腐使用寿命涂层系统具有重要的现实意义[12]。

1 实验部分

实验流程如图1 所示。

首先依据原配方制备试件；对试件进行性能测试；再对测试结果进行相关性分析；根据相关性分析结果优化配方，重新制备试件并进行性能测试；最后将测试结果进行对比，得到最优比例配方。

1.1 实验原料及设备

（1）实验原料。硫酸钴（CoSO4）与硫酸镍（NiSO4），质量比约为1∶15；磷酸（H3PO4）与亚磷酸（H3PO3），质量比约为1∶2；硼化钛（TiB2）与碳化硅（SiC），质量比为1∶1；此外，还需要柠檬酸（CA）、氮化硼（BN）、光亮剂、钼酸钠（Na2MoO4）和蒸馏水。

（2）仪器及设备。电子天平，扫描电子显微镜；X 射线衍射仪；UMT-2 往复式摩擦磨损试验机；万能材料试验机；Thermo Kalpha X 射线光电子能谱仪；自制电沉积工艺设备。如图2 所示。

图2 电沉积工艺装备示意图

1.2 制备方法及工艺流程

将SiC、TiB2、BN 和H3PO4投放到物料混炼机内进行备料混炼，转速为600 r/min，混炼时间超过25 min。然后加入NiSO4、CoSO4、Na2MoO4、CA、H3PO3和光亮剂，再加入适当比例的蒸馏水充分搅拌，备用。

电沉积工艺流程如图3 所示。

图3 电沉积工艺流程

由图3 可知，电沉积工艺流程主要包括前处理工艺、电沉积、后处理工艺及热处理过程。其中，前处理工艺即为基本表面处理，主要包括基体抛光、电解脱脂去油、热水洗、冷水洗、刻蚀、热水洗、冷水洗；电沉积工艺为核心工艺；后处理工艺即镀层表面处理，主要包括热水洗、冷水洗、干燥；热处理工艺可按照需求调整。

1.3 样品试制及性能测试

依据本文1.2 节，按表1 配方制备3 种试件，记为A、B、C。

表1 电沉积反应槽组分含量

依据GB/T 9261—2008《甲板漆》和MIL-PRF-24667C《辊涂、喷涂及自粘附施工的防滑甲板涂料体系》确定试验样品表征为硬度和抗冲击次数。根据专家经验，依据GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》、SY/T 0040—2013《管道防腐层抗冲击性试验方法（落锤试验法）》，分别对镀件进行表面硬度测试和抗冲击测试，结果如图4 所示。