摘要：本文以海洋環(huán)境中工作的各種裝備為背景，介紹了海洋環(huán)境對(duì)金屬材料的破壞機(jī)理；分析了熱噴涂技術(shù)在海洋環(huán)境中的應(yīng)用實(shí)例。最后總結(jié)了熱噴涂技術(shù)在海洋環(huán)境裝備中未來研究的方向。

關(guān)鍵詞：熱噴涂；海洋環(huán)境；腐蝕破壞；功能涂層

中圖分類號(hào)：TP2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）01（b）-0000-00

隨著人類生存和探索領(lǐng)域的拓展，海洋正成為支撐社會(huì)可持續(xù)發(fā)展新的戰(zhàn)略基地。海洋領(lǐng)域的探索與開發(fā)，離不開先進(jìn)的海洋工程裝備。由于海洋環(huán)境的特殊性，在海洋環(huán)境中工作的裝備容易受到腐蝕、沖蝕、海生物吸附，造成使用效率下降，甚至失效。因此，海洋工程裝備常常需要進(jìn)行熱噴涂處理。

本文針對(duì)海洋環(huán)境的特殊性，介紹了熱噴涂技術(shù)在海洋環(huán)境裝備中的應(yīng)用，并探討了其存在的問題與未來發(fā)展的方向。

1 海洋環(huán)境對(duì)海洋裝備的破壞因素

金屬材料在海洋環(huán)境中破壞的因素主要有：化學(xué)因素、物理因素、生物因素、區(qū)域因素。海水流速會(huì)影響材料的腐蝕電位；海洋生物腐蝕過程中也包含極其復(fù)雜的化學(xué)腐蝕 [1-2]。這也會(huì)造成金屬材料腐蝕機(jī)理的復(fù)雜性。

1.1 化學(xué)因素

海洋環(huán)境對(duì)金屬材料破壞的化學(xué)因素主要包括：含鹽量、溶氧量、二氧化碳、pH值等。金屬浸在海水中，由于金屬表面材料微區(qū)成分的不均勻性，導(dǎo)致金屬與海水界面上電極電位的分布也呈現(xiàn)微觀的不均勻性而形成了無數(shù)個(gè)微電池，形成陰極區(qū)和陽極區(qū)。碳鋼微電池腐蝕反應(yīng)[3]為：

pH值升高有利于抑制碳鋼海水中腐蝕，產(chǎn)生鈣鎂沉淀物附著在材料表面，利于陰極保護(hù)。但表層海水中pH值變化幅度不大，所以該區(qū)域內(nèi)pH值的影響較小。

1.2物理因素

海洋環(huán)境中金屬材料破壞的物理因素包括：流速、波浪、潮汐、泥沙、溫度等[4]。研究發(fā)現(xiàn)船用碳鋼3C與09MnNb的腐蝕速率隨海水流速的增加而迅速增加，對(duì)于不銹鋼1Cr18Ni9、鈦合金TC4，流速對(duì)腐蝕速率的影響較小[5]。劉薇 [6]研究了風(fēng)浪沖擊力的周期性及其對(duì)金屬材料的破壞，認(rèn)為材料破壞與海域載荷分布具有幅度周期性變化相關(guān)。Soares C Guedes[7]等人考察了相對(duì)海水濕度、氯化物、溫度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響，提出了不同環(huán)境因素影響的非線性時(shí)間相關(guān)的腐蝕模型：

f（Tr）=0.415[Tr]+0.585，當(dāng)T， Tn用攝氏溫標(biāo)表示；

f（Tr）=7.412[Tr]+6.412，當(dāng)T， Tn用開氏溫標(biāo)表示；

T為實(shí)際溫度，Tn為理論溫度，Tr=T/Tn（與溫標(biāo)表示方法有關(guān)），f（Tr）為溫度相關(guān)的腐蝕率修正因子。該模型中，若T、Tn若以攝氏溫標(biāo)表示，則相對(duì)濕度對(duì)腐蝕作用的影響最大，而大氣溫度影響最??；若T、Tn以開氏溫標(biāo)表示，則大氣溫度對(duì)腐蝕作用的敏感程度最高，而氯化物的影響最低。

1.3生物因素

海洋生物污損過程主要有三個(gè)階段：初期階段、發(fā)展階段、穩(wěn)定階段。Little Brenda J[8]闡述了海生物群落影響的兩種現(xiàn)象：腐蝕的快速發(fā)展以及硫酸鹽還原菌（SRB）產(chǎn)生的硫化物衍生物，在腐蝕進(jìn)程中，化學(xué)反應(yīng)普遍加快，導(dǎo)致不銹鋼快速腐蝕，在無生命條件下的表現(xiàn)為氧氣量的減少。Moradi M[9]等對(duì)金屬氧化細(xì)菌群中的316不銹鋼的腐蝕行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌群中的316不銹鋼腐蝕速率顯著上升，EDS分析結(jié)果指出，在金屬腐蝕產(chǎn)物和細(xì)菌的新陳代謝組織部分有Si元素富集和Cr、Fe元素的增加，因此，金屬氧化細(xì)菌的新陳代謝活動(dòng)可以改變金屬化合物和腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分。Brito L V R[10]等研究了碳鋼浸海前6個(gè)月與大型污損生物相關(guān)的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)大型生物污損對(duì)材料具有保護(hù)作用；含優(yōu)勢(shì)生物為絲狀海藻、藤壺、水螅和薄殼狀苔蘚蟲等的群落組，局部腐蝕比例最高。現(xiàn)階段單純研究微生物對(duì)金屬破壞作用的較多，并沒有結(jié)合化學(xué)因素和物理因素等綜合因素來考察金屬破壞行為，同時(shí)在不同生物對(duì)金屬材料的破壞機(jī)理方面研究還不夠深入。

1.4區(qū)域因素

區(qū)域因素是指海洋裝備在整個(gè)海洋空間所處的相對(duì)位置，通常將海洋腐蝕環(huán)境分為五個(gè)區(qū)域：海洋大氣區(qū)、海洋飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)，其腐蝕的機(jī)理與腐蝕速率也就有很大差異（見表2）。

海洋環(huán)境對(duì)金屬的破壞作用研究的方向有：不同材料在大流速或湍流條件下的沖刷腐蝕機(jī)理、形成的腐蝕產(chǎn)物、結(jié)垢、生物膜的性質(zhì)及其對(duì)裸露區(qū)和閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕過程的影響以及生物因素和電化學(xué)因素之間的交互作用等。

2 熱噴涂技術(shù)在海洋環(huán)境中的應(yīng)用

2.1海洋裝備防腐

熱噴涂技術(shù)應(yīng)用在大型鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)主要有電弧噴涂和火焰噴涂，材料主要是鋅、鋁及其合金。Pardo A[12]等人在鎂鋁合金表面噴涂鋁涂層，利用冷壓進(jìn)行后處理后，涂層成分更加均勻，涂層與基體結(jié)合更緊密，孔隙率降低，耐蝕性得以很大提高。在鋁中加入稀土獲得鋁稀土涂層可增強(qiáng)耐蝕性，劉毅[13]等人研究了鋁稀土涂層在3.5%的NaCl溶液中的腐蝕機(jī)理，結(jié)果表明鋁稀土涂層的致密層氧化膜不完整，主要成分為Al（OH）3。

非金屬材料也在海洋防腐工程中發(fā)揮其特殊作用， Singh S K[14]等人將低密度聚乙烯（LDPE）混合以不同濃度順丁烯二酸（MAc），再經(jīng)著色處理并制成聚乙烯涂層。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)處理后的LDPE的結(jié)合力明顯高于未處理的LDPE，含30%紅鐵氧化物的聚乙烯涂層的耐蝕性明顯好于含量為20%或40%的涂層。Tambe S P[15]等人研究了乙烯醋酸鹽（EVA）和乙烯醇（EVAl）與聚乙烯的混合物涂層的耐蝕性， EVA/PE性能優(yōu)于EVAl/PE。

2.2特殊零件制造

螺旋槳是艦船、潛艇等的關(guān)鍵推動(dòng)裝置，其材料一般為ZQAl12-8-3-2、ZHMn55-3-1等，受氣蝕破壞嚴(yán)重。采用低壓等離子噴涂鎳鈦合金制備螺旋槳抗空蝕涂層，使用壽命比鋁青銅提高了4倍，在螺旋槳上已有采用。

美國海軍已廣泛采用了熱噴涂技術(shù)，極大的改善了相應(yīng)系統(tǒng)的性能與壽命，表3列舉了熱噴涂技術(shù)在美國海軍艦船上的應(yīng)用。

丁彰雄[17]等人對(duì)船用曲軸失效與修復(fù)進(jìn)行了研究，采用Ni/Al結(jié)合底層+自粘結(jié)復(fù)合材料、青銅涂層的結(jié)構(gòu)，利用亞音速火焰噴涂技術(shù)，可得到高性價(jià)比的優(yōu)質(zhì)涂層。

2.3特殊功能涂層

Cu2+吸引并穿透帶負(fù)電的細(xì)胞膜與膜內(nèi)蛋白質(zhì)上的羥基、氨基、巰基發(fā)生反應(yīng)，破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使微生物無法增殖或死亡。

相關(guān)部門研制的Al+10%Al2O3復(fù)合線材和芯材可制增摩涂層，其摩擦因數(shù)可達(dá)0.7～0.9，結(jié)合強(qiáng)度達(dá)22MPa。清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用熱噴涂技術(shù)得到了先進(jìn)納米結(jié)構(gòu)固體自潤滑涂層，使得45鋼的耐磨性提高20倍以上，降低了零部件的磨損，提高傳動(dòng)效率。

3 結(jié)語

在海洋環(huán)境中利用熱噴涂技術(shù)的領(lǐng)域隨著具有更高性能的新材料的不斷涌現(xiàn)，使用范圍越來越廣。

首先，多環(huán)境耦合條件下復(fù)合功能涂層成為未來研究方向之一。陳永雄[19]等人已展開對(duì)熱環(huán)境與海洋腐蝕環(huán)境中復(fù)合涂層（Zn-Al-Mg-Re）的研究來阻止海洋環(huán)境腐蝕。

其次，進(jìn)一步提高零部件表面涂層的綜合性能也成為未來科研人員追逐的焦點(diǎn)。例如深海探測器、潛艇等需在黑暗、低溫及高壓的環(huán)境中工作，一旦零部件達(dá)不到要求，很可能發(fā)生船毀人亡的慘劇。

最后，智能涂層的研究有望成為未來熱噴涂技術(shù)的發(fā)展方向之一。在軍事領(lǐng)域，各種艦船、潛艇都試圖增強(qiáng)其隱身、抗電子干擾的功能，將特殊納米材料噴涂潛艇蒙皮上，可以 “感覺”各種水文環(huán)境極細(xì)微的變化，提前“察覺”來襲的敵方魚雷以及時(shí)規(guī)避，并最大限度地降低噪聲。

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