多元合金表面热喷涂对钢结构防腐性能的影响

摘 要：随着钢结构在建筑中的利用进一步加大，对其抗腐蚀性能要求也进一步提高，多元合金的出现更好的解决了上述问题，本文分别在工业大气和海洋性大气条件下，对比了锌-钴-铼合金、锌-铝-镁合金、锌-铝-镁-铈合金对钢结构的保护作用，分析研究了多元合金表面热喷涂对钢结构防腐性能的影响。

关键词：钢结构；多元合金；工业大气；海洋性大气

钢结构相对比传统的建筑用材，具有优异的延展性、承载力、体积小、重量轻，因此被广泛的应用在各种建筑上[ 1 ]。随着社会的发展，高层建筑、大型桥梁、重型车间、海上建筑等越来越多，对钢结构的防腐蚀性能也提出了更高的要求。

作为建筑的主体框架，钢结构的稳定性直接关系着建筑物的使用寿命、安全性等各方面问题。为了达到更高的要求，对钢结构的防腐处理技术也越来越多，主要方法包括，对钢结构本身抗腐蚀性能的提升，即耐候钢的应用，对处于水下或地下的钢结构进行阴极保护法进行防腐，在钢结构表面喷涂防腐材料进行防腐，以及采用热喷涂技术，在钢结构表面喷涂多元合金已达到防腐的目的[ 2 ]。在所有方法中，效果最好的为最后提到的多元合金表面热喷涂技术。

热喷涂技术是在热源的存在下，将熔化的或是半熔化的合金，通过高速雾化气流的作用，喷射到基体表面，然后凝固形成于基体结合紧密的薄片状涂层。热喷涂技术中，火焰喷涂和电弧喷涂是钢结构防腐中最常用的技术[ 3 ]。目前比较常见的合金涂层有锌-铝合金、锌-钴-铼合金、锌-铝-镁合金、锌-铝-镁-铈合金，从化学角度分析，锌、铝的电极低于钢铁，因而可以提供阴极保护作用，而合金涂层在受到腐蚀后产生的化学腐蚀产物具有很好的保护性，可以阻止涂层的进一步腐蚀，所以涂层的消耗率很小。研究显示，在海洋性大气中，锌-铝涂层的腐蚀率分别为1-2μm/a，数据显示，合金涂层对钢结构可提供长时间的抗腐蚀性能。下文分别针对工业性大气腐蚀和海洋性大气腐蚀对多元合金表面热喷涂对钢结构防腐性能的影响进行研究。

一、工业性大气腐蚀对多元合金表面热喷涂对钢结构防腐性能影响研究

（一）工业大气主要污染物分析

工业性大气的主要污染物为二氧化硫、二氧化碳、氯、硫化氢、盐酸、氮氧化物，其中二氧化硫的危害最大，对钢结构的腐蚀最快，在城市区、工业区，二氧化硫的在大气中的比重可达0.1-100mg/m3，在湿度较高的情况下，其对钢结构的腐蚀速度会进一步加大。数据研究显示，相比干燥的大气环境，钢结构在湿度较大的工业大气环境中平均腐蚀速度要高出五十倍以上。

（二）工业大气实验条件下分析锌涂层、锌-钴-铼合金涂层防腐性

将热喷锌涂层、锌-钴-铼合金涂层在某城市工业大气环境下暴露12个月，对锌-涂层而言，雨水冲刷不断腐蚀产物，使得虽然暴露时间逐渐的增加，但是腐蚀产物并没有随之累积，分析其主要原因为，雨水中氢浓度造成了腐蚀产物的流失。所以腐蚀产物对涂层表面的保护在暴露一个月后就趋于稳定，而不会随着时间进一步增加。钢结构在上述环境中的损失为5.84%，相比较而言，锌-钴-铼合金涂层的钢结构在上述环境中的损失为1.43%。

二、海洋性大气腐蚀对多元合金表面热喷涂对钢结构防腐性能影响研究

（一）海洋大气主要污染物分析

不同于工业性大气，海洋性大气的主要污染物为盐，盐粒的吸湿性能很强，所以受湿度影响，海洋性大气的腐蚀更快。同时，盐粒沉积在涂层表面，氯离子的穿透性，对金属的腐蚀性很大，研究显示，在氯离子和二氧化硫协同存在的情况下，其所产生的腐蚀程度极大增加，远远高于两者单独存在时产生的腐蚀影响。所以我国的滨海城市金属材料的腐蚀非常严重，带来了巨大的经济损失。

锌涂层虽然在腐蚀的初期会形成保护层，但在海洋性大气环境中，氯离子的沉积和其穿透性对涂层会进行进一步的侵蚀，所以锌涂层并不适合于海洋性大气中的防腐。相比之下，铝涂层在喷涂后，其表面和内部会形成很厚的三氧化二铝，具有很强的屏蔽作用，涂层中的空隙被封闭后，只要不存在机械损伤，氯离子很难在穿透空隙对涂层进行进一步的腐蚀。同时铝涂层的硬度、耐久性、耐腐蚀性都更强的优势。但是三氧化二铝形成的保护膜的的导电率很低，电位高于基体，所以铝涂层的阴极保护作用很弱。当涂层收到外界机械损伤时，钢结构基体还是会发生腐蚀。为解决上述问题，发展产生了锌-铝合金涂层，将锌包围在铝涂层中，腐蚀产生的孔隙被封闭，同时锌涂层对钢铁基体的保护作用，可进一步抑制率图层的腐蚀。

在进一步研究中发现，在锌-铝合金，加入镁可以更红的提高合体涂层的防腐蚀性能，该涂层的腐蚀产物更加致密，阻止了氯离子的进一步侵蚀，在进一步的探索中，研究者将稀土元素铈，加入到锌-铝-镁合金中，由于铈元素的存在，降低了晶粒与晶界的电位差，进而减缓了腐蚀。

（二）海洋大气实验条件下分析锌涂层、锌-铝合金涂层、锌-铝-镁合金涂层、锌-铝-镁-铈

合金涂层防腐性分析：将锌涂层、锌-铝合金涂层、锌-钴-铼合金涂层进行盐雾腐蚀试验，模拟海洋性大气，试验溶液为氯化钠-去离子溶液，并选择循环喷雾处理。10天后，对四种涂层样品进行称重，记录质量损失，在称重前用乙醇擦洗样品风干。实验结果为，锌涂层样品质量损失为4.55%，锌-铝合金涂层样品质量损失为3.15%，锌-铝-镁合金涂层样品质量损失为1.12%，锌-铝-镁-铈合金涂层样品质量损失为0.82%，实验数据说明，在四者之中锌-铝-镁-铈合金涂层的样品质量损失最低，明显优于锌涂层、锌-铝合金涂层。

三、结语

根据上述分析，在工业性大气实验中，锌-钴-铼合金涂层对比锌-涂层表现除了更为优越的性能，在海洋性大气实验中，锌-铝-镁-铈合金涂层的表现最为优秀。基于目前社会发展对钢结构的腐蚀性能提出更高的要求，多元合金技术的发展越来越快，也给钢结构的抗腐蚀性能带来更大提高。

参考文献：

[1] 张米斯，高新华，宁晖，王奎升.热喷涂金属涂层与舰船应用前景[J].中国舰船研究，2015，06：120-125.

[2] 刘玉栋，周勇，马晓琳.热喷涂Zn-Al-Mg合金涂层的研究进展[J].热处理技术与装备，2015，06：81-84.

[3]睢文杰，赵文杰，秦立光，张星，乌学东，薛群基.铜合金表面防腐涂层研究进展[J].腐蚀科学与防护技术，2016，01：88-94.