热喷涂技术在海洋环境装备中的应用

摘要：本文以海洋环境中工作的各种装备为背景，介绍了海洋环境对金属材料的破坏机理；分析了热喷涂技术在海洋环境中的应用实例。最后总结了热喷涂技术在海洋环境装备中未来研究的方向。

关键词：热喷涂；海洋环境；腐蚀破坏；功能涂层

中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

随着人类生存和探索领域的拓展，海洋正成为支撑社会可持续发展新的战略基地。海洋领域的探索与开发，离不开先进的海洋工程装备。由于海洋环境的特殊性，在海洋环境中工作的装备容易受到腐蚀、冲蚀、海生物吸附，造成使用效率下降，甚至失效。因此，海洋工程装备常常需要进行热喷涂处理。

本文针对海洋环境的特殊性，介绍了热喷涂技术在海洋环境装备中的应用，并探讨了其存在的问题与未来发展的方向。

1 海洋环境对海洋装备的破坏因素

金属材料在海洋环境中破坏的因素主要有：化学因素、物理因素、生物因素、区域因素。海水流速会影响材料的腐蚀电位；海洋生物腐蚀过程中也包含极其复杂的化学腐蚀 [1-2]。这也会造成金属材料腐蚀机理的复杂性。

1.1 化学因素

海洋环境对金属材料破坏的化学因素主要包括：含盐量、溶氧量、二氧化碳、pH值等。金属浸在海水中，由于金属表面材料微区成分的不均匀性，导致金属与海水界面上电极电位的分布也呈现微观的不均匀性而形成了无数个微电池，形成阴极区和阳极区。碳钢微电池腐蚀反应[3]为：

pH值升高有利于抑制碳钢海水中腐蚀，产生钙镁沉淀物附着在材料表面，利于阴极保护。但表层海水中pH值变化幅度不大，所以该区域内pH值的影响较小。

1.2物理因素

海洋环境中金属材料破坏的物理因素包括：流速、波浪、潮汐、泥沙、温度等[4]。研究发现船用碳钢3C与09MnNb的腐蚀速率随海水流速的增加而迅速增加，对于不锈钢1Cr18Ni9、钛合金TC4，流速对腐蚀速率的影响较小[5]。刘薇 [6]研究了风浪冲击力的周期性及其对金属材料的破坏，认为材料破坏与海域载荷分布具有幅度周期性变化相关。Soares C Guedes[7]等人考察了相对海水湿度、氯化物、温度对钢结构腐蚀影响，提出了不同环境因素影响的非线性时间相关的腐蚀模型：

f（Tr）=0.415[Tr]+0.585，当T， Tn用摄氏温标表示；

f（Tr）=7.412[Tr]+6.412，当T， Tn用开氏温标表示；

T为实际温度，Tn为理论温度，Tr=T/Tn（与温标表示方法有关），f（Tr）为温度相关的腐蚀率修正因子。该模型中，若T、Tn若以摄氏温标表示，则相对湿度对腐蚀作用的影响最大，而大气温度影响最小；若T、Tn以开氏温标表示，则大气温度对腐蚀作用的敏感程度最高，而氯化物的影响最低。

1.3生物因素

海洋生物污损过程主要有三个阶段：初期阶段、发展阶段、稳定阶段。Little Brenda J[8]阐述了海生物群落影响的两种现象：腐蚀的快速发展以及硫酸盐还原菌（SRB）产生的硫化物衍生物，在腐蚀进程中，化学反应普遍加快，导致不锈钢快速腐蚀，在无生命条件下的表现为氧气量的减少。Moradi M[9]等对金属氧化细菌群中的316不锈钢的腐蚀行为进行了实验，发现细菌群中的316不锈钢腐蚀速率显著上升，EDS分析结果指出，在金属腐蚀产物和细菌的新陈代谢组织部分有Si元素富集和Cr、Fe元素的增加，因此，金属氧化细菌的新陈代谢活动可以改变金属化合物和腐蚀产物的化学成分。Brito L V R[10]等研究了碳钢浸海前6个月与大型污损生物相关的腐蚀行为，发现大型生物污损对材料具有保护作用；含优势生物为丝状海藻、藤壶、水螅和薄壳状苔藓虫等的群落组，局部腐蚀比例最高。现阶段单纯研究微生物对金属破坏作用的较多，并没有结合化学因素和物理因素等综合因素来考察金属破坏行为，同时在不同生物对金属材料的破坏机理方面研究还不够深入。

1.4区域因素

区域因素是指海洋装备在整个海洋空间所处的相对位置，通常将海洋腐蚀环境分为五个区域：海洋大气区、海洋飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区，其腐蚀的机理与腐蚀速率也就有很大差异（见表2）。

海洋环境对金属的破坏作用研究的方向有：不同材料在大流速或湍流条件下的冲刷腐蚀机理、形成的腐蚀产物、结垢、生物膜的性质及其对区和闭塞区内腐蚀过程的影响以及生物因素和电化学因素之间的交互作用等。

2 热喷涂技术在海洋环境中的应用

2.1海洋装备防腐

热喷涂技术应用在大型钢结构腐蚀防护主要有电弧喷涂和火焰喷涂，材料主要是锌、铝及其合金。Pardo A[12]等人在镁铝合金表面喷涂铝涂层，利用冷压进行后处理后，涂层成分更加均匀，涂层与基体结合更紧密，孔隙率降低，耐蚀性得以很大提高。在铝中加入稀土获得铝稀土涂层可增强耐蚀性，刘毅[13]等人研究了铝稀土涂层在3.5%的NaCl溶液中的腐蚀机理，结果表明铝稀土涂层的致密层氧化膜不完整，主要成分为Al（OH）3。

非金属材料也在海洋防腐工程中发挥其特殊作用， Singh S K[14]等人将低密度聚乙烯（LDPE）混合以不同浓度顺丁烯二酸（MAc），再经着色处理并制成聚乙烯涂层。实验表明，经处理后的LDPE的结合力明显高于未处理的LDPE，含30%红铁氧化物的聚乙烯涂层的耐蚀性明显好于含量为20%或40%的涂层。Tambe S P[15]等人研究了乙烯醋酸盐（EVA）和乙烯醇（EVAl）与聚乙烯的混合物涂层的耐蚀性， EVA/PE性能优于EVAl/PE。

2.2特殊零件制造

螺旋桨是舰船、潜艇等的关键推动装置，其材料一般为ZQAl12-8-3-2、ZHMn55-3-1等，受气蚀破坏严重。采用低压等离子喷涂镍钛合金制备螺旋桨抗空蚀涂层，使用寿命比铝青铜提高了4倍，在螺旋桨上已有采用。

美国海军已广泛采用了热喷涂技术，极大的改善了相应系统的性能与寿命，表3列举了热喷涂技术在美国海军舰船上的应用。

丁彰雄[17]等人对船用曲轴失效与修复进行了研究，采用Ni/Al结合底层+自粘结复合材料、青铜涂层的结构，利用亚音速火焰喷涂技术，可得到高性价比的优质涂层。

2.3特殊功能涂层

Cu2+吸引并穿透带负电的细胞膜与膜内蛋白质上的羟基、氨基、巯基发生反应，破坏蛋白质的结构，使微生物无法增殖或死亡。

相关部门研制的Al+10%Al2O3复合线材和芯材可制增摩涂层，其摩擦因数可达0.7～0.9，结合强度达22MPa。清华大学摩擦学国家重点实验室利用热喷涂技术得到了先进纳米结构固体自涂层，使得45钢的耐磨性提高20倍以上，降低了零部件的磨损，提高传动效率。

3 结语

在海洋环境中利用热喷涂技术的领域随着具有更高性能的新材料的不断涌现，使用范围越来越广。

首先，多环境耦合条件下复合功能涂层成为未来研究方向之一。陈永雄[19]等人已展开对热环境与海洋腐蚀环境中复合涂层（Zn-Al-Mg-Re）的研究来阻止海洋环境腐蚀。

其次，进一步提高零部件表面涂层的综合性能也成为未来科研人员追逐的焦点。例如深海探测器、潜艇等需在黑暗、低温及高压的环境中工作，一旦零部件达不到要求，很可能发生船毁人亡的惨剧。

最后，智能涂层的研究有望成为未来热喷涂技术的发展方向之一。在军事领域，各种舰船、潜艇都试图增强其隐身、抗电子干扰的功能，将特殊纳米材料喷涂潜艇蒙皮上，可以 “感觉”各种水文环境极细微的变化，提前“察觉”来袭的敌方鱼雷以及时规避，并最大限度地降低噪声。

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