高強度鋼代鎘鋁基涂層耐海洋環(huán)境腐蝕性能評價

孫志華，劉明，張曉云，陸峰，湯智慧，詹中偉，張騏

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高強度鋼代鎘鋁基涂層耐海洋環(huán)境腐蝕性能評價

孫志華，劉明，張曉云，陸峰，湯智慧，詹中偉，張騏

（中國航發(fā)北京航空材料研究院，航空材料先進腐蝕與防護航空科技重點試驗室，北京 100095）

評價高強度結(jié)構(gòu)鋼300M上電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁、無水電鍍鋁三種防護涂層的耐海洋環(huán)境腐蝕性能。采用中性鹽霧試驗和海洋環(huán)境大氣暴露試驗進行評價，并在試驗后觀察涂層宏觀、微觀形貌，分析腐蝕產(chǎn)物成分。離子鍍鋁涂層表面在鹽霧試驗96 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物、336 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物；電鍍鋁在336 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物、500 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物。電鍍鎘-鈦鹽霧試驗1000 h沒有白色腐蝕產(chǎn)物。離子鍍鋁涂層和電鍍鋁涂層海洋環(huán)境大氣暴露試驗0.5 a出現(xiàn)了白色的腐蝕點、1 a暴露試驗后出現(xiàn)紅色的腐蝕點，且在劃叉區(qū)域出現(xiàn)了紅色的腐蝕產(chǎn)物，而電鍍鎘-鈦5 a戶外暴露試驗僅在劃叉部分出現(xiàn)了少量的紅色的腐蝕產(chǎn)物。離子鍍鋁涂層和電鍍鋁兩種涂層均易發(fā)生鋁涂層的點蝕，隨著腐蝕時間的延長，點蝕深入，發(fā)生基體的腐蝕出現(xiàn)紅銹。離子鍍鋁、無水電鍍鋁兩種鋁基涂層比電鍍鎘-鈦的耐蝕性稍差，鎘-鈦鍍層對基體有良好的犧牲陽極的作用，保護基體免受腐蝕，而鋁涂層對基體的保護作用較弱，劃叉部位出現(xiàn)紅色的腐蝕。

高強度鋼；海洋環(huán)境；代鎘；鋁涂層

海洋服役環(huán)境下，飛機用高強度鋼構(gòu)件防護廣泛采用鎘鍍層進行防護，如低氫脆鍍鎘、電鍍鎘-鈦、氯化銨鍍鎘等[1-3]。由于鎘鍍層有毒不利環(huán)保，而且不能應用于溫度高于230 ℃或與鈦合金接觸的起落架高強度鋼的防護，否則會引起高強度鋼或鈦合金的鎘脆，因此發(fā)展綠色的環(huán)保代鎘技術(shù)需求迫切。目前國內(nèi)外主要采用鋁基涂層，如離子鍍鋁、無水電鍍鋁等來代替鎘涂層進行高強度鋼的防護[4-6]。

離子鍍鋁具有無氫脆、鍍層耐蝕性好、使用溫度可達496 ℃、與鋁合金零件接觸不會產(chǎn)生電偶腐蝕、與燃油接觸安全、對基體材料機械性能不會產(chǎn)生不利影響、無毒和環(huán)保等優(yōu)點，美國在AF-18和AV-8B等飛機起落架、波音767和DC-10發(fā)動機吊架等零件都采用離子鍍鋁防護。無水電鍍鋁層具有高強度、優(yōu)良的耐蝕性且環(huán)保的特點，美軍海航戰(zhàn)略研究中心、西門子公司、德國Aluminal公司等進行了研究，該工藝的電解液溫度低（<100 ℃），電解時不會造成鍍件的熱損傷，也不會有氫脆的危險，獲得的鍍層具有良好的耐蝕性。

目前上述各種涂層制備技術(shù)各有優(yōu)缺點，各國均在廣泛研究，我國各項技術(shù)的研究也剛剛起步，因此對其進行全面的性能評價與對比以及防護機理的研究，將為進一步篩選高強度鋼代鎘防護涂層提供依據(jù)。

文中在高強度結(jié)構(gòu)鋼300M上，進行電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁、無水電鍍鋁三種不同防護涂層的耐海洋環(huán)境腐蝕性能的評價，包括耐鹽霧、戶外大氣暴露試驗等，為進一步篩選高強度鋼代鎘防護涂層提供數(shù)據(jù)。

1 研究方法

1.1 試驗材料

基體材料為目前航空起落架用超高強度鋼300M，其化學成分見表1。制備電鍍鎘-鈦（Ed Cd-Ti）、離子鍍鋁（IVD Al）及無水電鍍鋁（Ed Al）的樣品尺寸150 mm×85 mm×3 mm，涂層厚度為10~20 μm。

1.2 涂層表面、截面形貌及成分份

采用顯微鏡及能譜對三種涂層的表面、截面形貌和成分進行了分析。

1.3 耐腐蝕

采用鹽霧腐蝕試驗和戶外暴露試驗進行腐蝕性能的測試，試樣為劃叉試樣以考察涂層破壞后的保護作用；鹽霧腐蝕試驗按照ISO 9227進行中性鹽霧試驗，檢查間隔為90，180，270，336 h。如果試驗結(jié)束后沒有明顯腐蝕，按照同樣檢查間隔繼續(xù)試驗直到1000 h。戶外暴露試驗按照ASTM G50進行，在團島大氣試驗站進行暴露試驗，取樣周期為0.5，1，2，3，4，5 a。團島環(huán)境試驗站屬暖溫帶濕潤區(qū)半工業(yè)海洋大氣，團島大氣試驗站環(huán)境參數(shù)見表2。

表1 300M鋼化學成分 %

表2 團島大氣試驗站環(huán)境參數(shù)

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 涂層表面、截面形貌及成分份

電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層的表面、截面的宏觀和形貌及成分分析結(jié)果分別見圖1和圖2?？梢钥闯觯N涂層表面顏色均勻、涂層厚度均勻，電鍍鎘-鈦層主要成分為鎘，還有少量的Cr，主要是因為鍍鎘-鈦后采用的鉻酸鹽鈍化處理。而離子鍍鋁和無水電鍍鋁層均為純鋁。

圖1 電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層表面宏觀形貌

2.2 中性鹽霧腐蝕試驗

電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層中性鹽霧腐蝕試驗不同時間后的宏觀形貌分別見圖3—圖5，100 h鹽霧試驗后三種涂層的微觀形貌、成分分析結(jié)果見圖6?？梢姡x子鍍鋁、無水電鍍鋁兩種鋁基涂層比電鍍鎘-鈦的耐蝕性稍差，離子鍍鋁涂層表面在鹽霧試驗96 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物，336 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物；電鍍鋁在96 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物，500 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物；而電鍍鎘-鈦涂層經(jīng)過1000 h的中性鹽霧試驗后，表面未發(fā)生腐蝕，劃叉部分也未發(fā)生腐蝕，說明鎘-鈦鍍層在鹽霧腐蝕條件下為陽極性涂層，對基體起到良好的犧牲陽極的作用。離子鍍鋁和電鍍鋁涂層表面在鹽霧試驗96 h后出現(xiàn)了白銹，劃叉位置也逐漸發(fā)生了腐蝕，并出現(xiàn)紅銹，說明300M鋼基體發(fā)生了腐蝕，鋁涂層對于鋼基體來說是一種陰極性涂層，不能起到犧牲陽極的作用。

圖3 電鍍鎘-鈦涂層中性鹽霧腐蝕試驗不同時間后的宏觀形貌

圖4 離子鍍鋁涂層中性鹽霧腐蝕試驗不同時間后的宏觀形貌

圖5 無水電鍍鋁涂層中性鹽霧腐蝕試驗不同時間后的宏觀形貌

2.3 戶外暴露試驗

三種涂層青島（團島）站戶外暴露不同時間后的宏觀形貌分別見圖7—圖9，電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層在青島（團島）的暴露試驗圖片見圖10。結(jié)果表明，離子鍍鋁涂層和電鍍鋁涂層戶外暴露0.5 a出現(xiàn)了白色的腐蝕點，1 a暴露試驗后出現(xiàn)紅色的腐蝕點，且在劃叉區(qū)域出現(xiàn)了紅色的腐蝕產(chǎn)物，而電鍍鎘-鈦鍍層5 a戶外暴露試驗僅在劃叉部分出現(xiàn)了少量的紅色的腐蝕產(chǎn)物。兩種鋁涂層的腐蝕形貌主要是點蝕，這主要是由于這兩種涂層均為鋁涂層，表面形成鋁的氧化膜，其在大氣環(huán)境下主要是鋁涂層發(fā)生了點蝕。同時隨著腐蝕時間的延長，點蝕深入，發(fā)生基體的腐蝕出現(xiàn)紅銹。鎘-鈦鍍層對基體有良好的犧牲陽極的作用，保護基體免受腐蝕，而鋁涂層對基體的保護作用較弱，劃叉部位出現(xiàn)紅色的腐蝕。

與鹽霧腐蝕試驗后的形貌進行對比，可以看出，在戶外海洋大氣環(huán)境條件下，離子鍍鋁和電鍍鋁兩種涂層的點蝕形貌更明顯，劃叉部位的腐蝕隨暴露時間的延長而逐漸加重。鹽霧試驗后的腐蝕形貌主要是劃叉部分發(fā)生了較嚴重的腐蝕。同時比較離子鍍鋁和電鍍鋁兩種涂層，電鍍鋁和離子鍍鋁的耐蝕性基本相當。

圖6 電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層1000 h 鹽霧試驗后微觀形貌

圖7 電鍍鎘-鈦涂層青島（團島）站戶外暴露不同時間后的宏觀形貌

圖8 離子鍍鋁涂層青島（團島）站戶外暴露不同時間后的宏觀形貌

圖9 電鍍鋁涂層青島（團島）站戶外暴露不同時間后的宏觀形貌

圖10 電鍍鎘-鈦、離子鍍鋁及無水電鍍鋁三種涂層青島（團島）站戶外暴露試驗

4 結(jié)論

1）離子鍍鋁、無水電鍍鋁兩種鋁基涂層比電鍍-鈦的耐蝕性差，離子鍍鋁涂層表面在鹽霧試驗96 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物，336 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物；電鍍鋁在336 h出現(xiàn)白色的腐蝕產(chǎn)物，500 h出現(xiàn)紅色的腐蝕產(chǎn)物；電鍍鎘-鈦鍍層鹽霧試驗1000 h沒有白色腐蝕產(chǎn)物。

2）離子鍍鋁涂層和電鍍鋁涂層海洋環(huán)境大氣暴露試驗0.5 a出現(xiàn)了白色的腐蝕點，1 a暴露試驗后出現(xiàn)紅色的腐蝕點，且在劃叉區(qū)域出現(xiàn)了紅色的腐蝕產(chǎn)物，而電鍍鎘-鈦鍍層5 a戶外暴露試驗僅在劃叉部分出現(xiàn)了少量的紅色的腐蝕產(chǎn)物。

3）離子鍍鋁涂層和電鍍鋁兩種涂層均易發(fā)生鋁涂層的點蝕，隨著腐蝕時間的延長，點蝕深入，發(fā)生基體的腐蝕出現(xiàn)紅銹。

4）鎘-鈦鍍層對基體有良好的犧牲陽極的作用，保護基體免受腐蝕，而鋁涂層對基體的保護作用較弱，劃叉部位出現(xiàn)紅色的腐蝕。

5）離子鍍鋁和電鍍鋁兩種涂層的耐蝕性基本相當。

[1] 劉鵬, 蔡健平, 王旭東, 等. 飛機起落架材料防護技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J]. 裝備環(huán)境工程, 2011, 8(2): 67-71.

[2] 湯智慧, 陸峰, 張曉云, 等. 氯化銨鍍鎘與無氰鍍鎘-鈦鍍層性能對比研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2006, 3(6): 22- 25.

[3] 宇波, 湯智慧, 彭超, 等. 無氰電鍍鎘-鈦合金對鋼基體氫脆性能的影響[J]. 電鍍與精飾, 2011, 33(11): 1-4.

[4] 湯智慧, 宇波, 高玉魁, 等. 后處理對離子鍍鋁涂層腐蝕性能的影響研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2007, 4 (2): 27-31.

[5] 丁志敏, 宋建敏, 沈長斌, 等. 低溫熔鹽電鍍鋁陰極沉積動力學研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(s1): 422-424.

[6] 詹中偉, 孫志華, 湯智慧, 等. 后處理對離子液體電鍍鋁合金涂層耐蝕性能的影響[J]. 電鍍與精飾, 2015, 27 (11): 1-6.

Corrosion Property at Marine Atmosphere of Al Based Coatings ReplacingCd on High Strength Steels

SUN Zhi-huaLIU MingZHANG Xiao-yunLU FengTANG Zhi-huiZHAN Zhong-weiZHANG Qi

(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)

To evaluate the corrosion property at marine atmosphere of three kinds of protective coatings on high strength steels, including electroplating Cd-Ti ( Ed Cd-Ti), ion vapour depositing aluminium (IVD Al) and electroplating Aluminium( Ed Al).Neutral salt fog test, marine atmospheric outdoor exposure test, macroscopic and microscopic observation of the three coatings before and after corrosion tests were carried out to observe macroscopic and microscopic morphology of coating and analyze components of corrosion products.White corrosion products on IVD Al and Ed Al coatings appeared after 96h and 336h of test, and red corrosion products appeared after 336h and 500h of test, but there was no corrosion product after 1000h of test on Ed Cd coatings. The marine atmospheric outdoor exposure tests results showed that there were white corrosion pits on IVD Al and Ed Al after half a year test, and red corrosion pits appeared after one year of exposure test, and corrosion occurred to the cross-section after one year of test. While only little corrosion product appeared on cross-section after one year of exposure test on electroplating Cd-Ti. Both the two coatings were likely to suffer from corrosive pitting on aluminized coating. The corrosive pitting went deeper as time went by. Red rust appeared on the matrix of corrosion.The anti-corrosion property of IVD Al and Ed Al are inferior to that of Ed Cd. Cd coating can provide anodic sacrificed effect on the steel substrate while the IVD Al and Ed Al has less sacrificed effect.

high strength steels; marine atmosphere; replacing Cd; Al based coatings

10.7643/ issn.1672-9242.2017.12.014

TJ07

A

1672-9242(2017)12-0071-06

2017-06-26；

2017-07-21

孫志華（1969—），女，河北人，博士，研究員，主要研究方向為航空材料先進防護技術(shù)，航空材料、涂層及結(jié)構(gòu)件環(huán)境適應性評價及模擬加速方法，腐蝕性能評價與表征技術(shù)等。