锌及锌铝合金热喷涂涂层的腐蚀防护研究
Dr.-Ing. Frank Prenger，Dr.-Ing. Jochen Spriestersbach
热 喷 涂 技 术
摘 要： 锌及锌铝合金热喷涂涂层可以最大限度地为钢结构件和混凝土中的钢筋提供腐蚀防护。锌及锌铝合金热喷涂涂层主要的加工方式为电弧喷涂和火焰喷涂，可以在基体表面形成密封层，这就产生了一个最佳的被动与主动相结合的腐蚀防护体系，使得工件的使用寿命延长到 20 年。 本文研究了锌及锌铝合金热喷涂涂层的微观属性和接近实际工况时的腐蚀防护特点。
关键词： 锌及锌铝合金；热喷涂；腐蚀防护
锌及锌铝合金长期以来一直应用于钢铁的腐蚀防护，涂层的制备方法包括：浸镀锌，电解镀锌，热喷涂和喷漆。 涂层材料的选择取决于基体的形状，腐蚀环境和经济因素。 下文我们将介绍锌及锌铝合金热喷涂涂层的实验研究。
1 热喷涂技术
热喷涂的种类很多，分类的依据主要是喷涂材料的成分、加工方式和热源（ 依据：DIN EN 657）。 锌及锌铝合金热喷涂涂层的制备需要两种形式的能源：热能和动能。常用的热源是火焰和电弧，应足以熔化喷涂材料，产生熔融粒子，动能将熔融粒子打到基体表面，熔融粒子的速度影响涂层的致密度和结合强度。 尽管较厚的涂层可以在个别领域使用，常规的涂层厚度集中在 50μm 至 500μm 之间。 线材火焰喷涂和电弧喷涂主要用于制备锌及锌铝合金热喷涂涂层。
1.1 线材火焰喷涂
线材火焰喷涂时，线材在火焰作用下不断被熔化，熔融粒子在压缩空气流的作用下喷射到基体工件表面。 图 1 为线材火焰喷涂原理示意图。
1.2 电弧喷涂
图 2 是电弧喷涂的原理示意图，电弧喷涂是利用燃烧于两根连续送进的金属丝之间的电弧来熔化金属，用高速气流（ 压缩气体或工艺气体）把熔化的金属雾化，并对雾化的金属粒子加速使它们喷向工件形成涂层的技术。 两根金属丝之间的倾角在30°至 60°之间， 金属丝之间的电弧温度可以达到 4000℃，电流密度可以超过 100A/mm2。
良好的熔化性能和填充金属丝的不断发展使得电弧喷涂成为工业中应用最广的一种工艺，人工
操作的设备（ 图 3）每小时可以熔化 5 至 50 公斤的金属丝，全自动化的设备（ 图 4）每小时可以熔化300 公斤的金属丝[3]。
2 锌及锌铝合金涂层腐蚀防护研究
2.1 锌及锌铝合金的物理性质
用于钢铁行业的锌及锌铝合金电弧丝主要有Zn, ZnAl2, ZnAl4, ZnAl15和 ZnAl22， 表 1 是上述材料的物理性质。
锌及锌铝合金热喷涂涂层有效延长工件的使用寿命，降低经济成本，正在承担着越来越重要的角色。产品利用率指的是喷到工件上产品质量与所使用的产品质量的比值， 通过图 5 可以发现，随着锌铝合金中铝含量的增加， 产品利用率不断增加。为进一步研究涂层的机械性能，微观形貌和抗腐蚀性能，我们在钢结构工件表面喷覆了 100μm 的涂层。
2.2 锌及锌铝合金涂层的形态及微观组织
涂层的形态包括涂层的厚度和孔的数量，裂纹和断层的形成以及工件表面的形态。图 6 和图 7 显示了不同成份涂层的形貌。
 
典型的锌及锌铝合金涂层的特征是和基体没有冶金结合，粗糙的基体表面可以促进与涂层的机械结合。 通过图 6 可以发现，锌粉涂层是均匀的片状涂层，锌铝合金涂层（ 图 7）也呈现类似的特征。
2.3 锌及锌铝合金涂层的机械性能
按照标准中参数和工艺条件，文献 7 指出锌及锌铝合金的最小结合强度是 3.5 MPa ，文献 8 指出封严涂层可以大大提高基体和涂层的结合强度。用于检测涂层的耐腐蚀性的三种试验。
（ 1） 盐雾腐蚀试验：DIN EN ISO 9227
（ 2） 酸雾腐蚀试验：DIN EN ISO 6988
（ 3） 接近真实工况的环境下进行腐蚀试验
测量试验前后样品质量的变化，采用高灵敏度的计量工具测量样品的质量，采用感应测量发测试涂层的厚度。 按照 DINEN-ISO-1183 第一条的规定，涂层的密度通过氢比重瓶法进行测试。 光学显微镜观察样品表面的微观结构。
2.3.1 盐雾腐蚀试验研究
按照 DIN EN ISO 9227 进行盐雾实验，盐雾环境为氯化钠溶液，压缩气体作为喷涂的动力来源。试验条件：
试验溶液：NaCl 溶液, 浓度为(50 ± 5) g/l
试验温度： (35±2)°C
PH 值：6.8
试验样品用尼龙绳悬浮在溶液里，风化处理。
盐雾腐蚀的时间分别为 400, 840, 1200, 1500,2000 和 2500 小时。
通过表 3 可以发现，锌及锌铝合金涂层可以对工件起到延缓腐蚀的作用，同时发现随着铝含量的增加，延缓腐蚀的效果愈明显。 涂层厚度增加是由轻微膨胀造成的，铝含量低于 2%以前，涂层厚度降低的很明显，涂层变薄的最小值出现在铝含量 14%至 15%之间。 铝含量在 15%至 22%之间时，涂层又出现新的变形，逐渐增厚。
2.3.2 SO2酸雾腐蚀试验研究
按照酸雾腐蚀标准 DIN EN ISO 6988, 试样放置在 SO2和水的混合溶液中.试验系统应能快速检测工件的变化，但是不能够提供试样使用寿命的数据。
试验条件
试验容器：可容纳溶液体积 300 升。
周期：8 小时，密闭环境。起始温度为 40°C，相
对湿度：100%。
加入 SO2：试验容器开启，温度变为室温（ 温度为20 至 23℃，相对湿度：<75%），总时间为 16 小时。试验样品用尼龙绳悬浮在溶液里，试验周期分别为 15 周，35 周，50 周和 75 周。通过试验可以发现， 经过 SO2酸雾腐蚀后，纯锌涂层腐蚀最为严重，ZnAl15和 ZnAl22的腐蚀程度最轻。
2.3.3 接近真实工况的环境下进行腐蚀试验研究
为了更好地研究涂层在真实工况下的腐蚀效果，将喷涂工件放置在如下环境：
- 土壤（ 含盐，不含盐）
- 工业环境
- 海事环境
- 海水浸泡：海水飞溅区域，交替浸渍区域，持续浸渍区域。
根据表 5 可以发现，当铝含量在 15%至 22%之间时，涂层的防腐蚀效果最佳，不含铝以及铝含量较低时，涂层也能够起到防腐蚀的效果。 在土壤不含盐，海水的交替浸渍区域和持续浸渍区域，含少量铝的涂层的防腐蚀效果要远远高于不含铝的涂层。
2.4 锌及锌铝合金涂层的应用领域
实践证明，锌及锌铝合金热喷涂涂层对钢结构具有极佳的防腐蚀性能，尤其是在钢结构连接处和顶部。可以通过标准 DIN EN ISO 12944 查找锌及锌合金涂层对连接处的腐蚀防护。 实践证明，涂层的厚度受周围工况的影响，尤其是温度和气态环境。锌及锌铝合金涂层除了被动防护，还可以对其他喷涂涂层提供阴极保护和远程保护，对破损的工件也能进行有效地腐蚀防护。 锌及锌铝合金涂层一部分应用于电子行业的铸管表面腐蚀防护，主要应用于停车场、 桥梁和海洋结构的钢结构的表面防护。（ 图 8 至图 11）。 可以使用固定和移动设备进行喷涂。
3 结论
锌及锌铝合金涂层尤其是与有机涂层组成的双联系统能够对钢结构实施有效地耐腐蚀防护。试验结果显示，不同成分的锌及锌铝合金表现出不同的微观结构和形态。
为了能够得到最高质量的锌铝合金涂层，我们对锌铝合金的组成参数进行了调整，从经济角度方面衡量， ZnAl15 合金喷涂比纯 Zn 喷涂更适用与大型工件。 锌涂层及锌铝合金涂层在腐蚀防护方面的机理相似。 但锌铝涂层的防腐蚀能力要强于锌涂层。 加入很少量的铝后，涂层的腐蚀速度会明显降低。 另一方面，当铝含量过高时，点蚀增加。 当铝含量增加后，涂层的耐酸性腐蚀性能增加，耐碱腐蚀性能降低（ 图 12）。 Zn 涂层和 ZnAl22涂层都能起到阴极防护的作用。 随着铝含量的增加，阴极防护作用减弱， 通过实验可以发现，可以通过选择不同配比的锌铝合金来最大限度地满足不同工况的腐蚀效果。 现代喷涂工艺和喷涂丝的发展推动了锌及锌铝合金涂层的应用，从经济角度和防腐蚀效果方面综合评价，ZnAl22合金涂层是解决腐蚀问题最好的材料。
参考文献
[1] DIN EN 657[M].Thermal Spraying – Terminology，Classification，DSV-Verlag，2005.
[2] DVS-Merkblatt 2301[M].Thermische Spritzverfahren für metallische und nichtmetallische Werkstoffe，DSV-Verlag，2001.
[3] Knepper M，SLV-Duisburg[M].Das Lichtbogenspritzen-Anlagentechnik und Anwendungen，2002.
[4] Zhongli Z，Weisheng G，Jinlin W. The Arc Sprayed ZnAI Pseudo Alloy Coating[C]//Proc. ITSC，Orlando FL，USA，1994.
[5] AiF Project No. 12351 N/l [P].Final Report,“ Corrosion Protection of Steel Through Sprayed Zinc-Aluminium Alloys”，Otto-Graf-Institut，FMPA.
[6] Bernecki T. ASM Course [P].Thermal Spray Technology,Lesson 2: Equipment and Theory，ASM International，Materials Park，OH，USA，1991.
[7] DVS-Merkblatt 2302 [M].Korrosionsschutz von St?hlen und Gusseisenwerkstoffen durch thermisch gespritzte überzüge，DSV-Verlag，2003.
[8] Schulz W D，Seidel M，Spriestersbach J. Influence of Post Coatings on Adhesion Strength of Metal Spray Layers Out of Zinc and Aluminium [P].in DVS Reports：175.
[9] DIN EN ISO 17836[M].Thermal Spraying - Determining the Deposition Rate for Thermal Spraying，DVS-Verlag，2005.
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