建筑景觀鋼結(jié)構(gòu)的表面改性設計與性能研究

茅舒青，韓越祥

（浙江工業(yè)職業(yè)技術學院 設計與藝術學院，浙江 紹興 312099）

由型鋼和鋼板等制成的鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)的重要結(jié)構(gòu)形式，由于具有重量輕、強度高、施工便捷、抗震性能好等優(yōu)點，在橋梁、廠房和高層建筑等領域有著廣泛應用。相較于傳統(tǒng)鋼-混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)由于長期暴露在環(huán)境中，容易與環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)接觸而發(fā)生銹蝕［1］，且在作為建筑鋼結(jié)構(gòu)使用時易于受到外界摩擦或者碰撞等而受損，需要對建筑鋼結(jié)構(gòu)進行表面改性處理以提升其表面耐磨性和耐蝕性［2］。尤其是隨著近年來建筑鋼結(jié)構(gòu)在惡劣工業(yè)和海洋環(huán)境中的廣泛應用，如何預防腐蝕性介質(zhì)和外力等對鋼結(jié)構(gòu)基體的破壞已成為亟待解決的問題［3］。其中，較為可行的方法是對建筑鋼結(jié)構(gòu)進行表面改性處理以提升其表面耐磨性和耐蝕性，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)表面改性研究多集中在表面硅烷化、純錳磷化、鍍鋅等除銹防銹工藝上，如孫振東等［4］在Q235鋼表面制備了雙硅烷復合膜，并顯著提高了環(huán)氧涂層的耐蝕性，王利艷等［4］采用鋅-錳系磷化工藝對Q235鋼進行表面處理，并在磷化過程中引入超聲波，有效提高了建筑結(jié)構(gòu)常用Q235鋼的耐蝕性等，而對于從本質(zhì)上在提升鋼結(jié)構(gòu)耐蝕性同時提升表面耐磨性的研究報道較少［6］。對建筑鋼結(jié)構(gòu)進行表面等離子噴涂處理制備耐蝕耐磨涂層，一方面可以改善鋼結(jié)構(gòu)的耐蝕性，減少除銹等工序，增加藝術觀賞性等；另一方面可以提高耐磨性，有效抑制由于外界摩擦、撞擊等帶來的鋼結(jié)構(gòu)基體的破壞，延長鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命［7］。目前，已有采用等離子噴涂方法在鋼基體表面制備Al2O3涂層的報道，但是由于涂層與基體的熱膨脹系數(shù)存在較大差異，最終涂層與基體結(jié)合力較差，開裂剝落傾向大；Ni60合金粉末作為一種熔點低、潤濕效果好的自熔性合金粉末，可以對Al2O3起到良好潤濕作用，從而降低開裂傾向，提升復合材料綜合性能［8］，而目前關于Ni60+ Al2O3成分配比對鋼結(jié)構(gòu)基體表面等離子噴涂復合涂層的耐磨和耐蝕性能影響規(guī)律尚不清楚。本文以建筑景觀鋼結(jié)構(gòu)用Q345B低合金鋼為研究對象，通過表面等離子噴涂方法在Q345B低合金鋼表面制備了4種不同Ni60+ Al2O3成分配比的復合涂層，考察了成分配比和化學修飾處理對涂層物相組成、顯微形貌、耐磨和耐蝕性能的影響，以期為建筑鋼結(jié)構(gòu)的表面改性提供技術支撐并提升建筑鋼結(jié)構(gòu)的使用性能和服役壽命。

1 材料與方法

1.1 原材料

建筑景觀鋼結(jié)構(gòu)基體材料為Q345B低合金鋼，化學成分采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法測得主要元素成分如表1。組織為鐵素體+珠光體，屈服強度358 MPa，抗拉強度525 MPa，斷后伸長率23%。噴涂粉末包括：平均粒徑30 μm的Al2O3粉末（熔點2055 ℃，導熱系數(shù)35 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)5.7×10-6/K），平均粒徑46 μm的球形Ni60粉末（熔點1425 ℃，導熱系數(shù)60 W/（m·K），熱膨脹系數(shù)13.5×10-6/K）。

表1 建筑景觀鋼結(jié)構(gòu)用Q345鋼的化學成分Tab. 1 Chemical composition of Q345 steel used in architectural landscape steel structures wt.%

1.2 涂層制備

1.2.1 復合粉末

共設計4種不同成分配比（質(zhì)量分數(shù)）的xNi60+yAl2O3粉末（粉末A：x=10%，y=90%；粉末B：x=20%，y=80%；粉末C：x=30%，y=70%；粉末D：x=40%，y=60%）。將市售Ni60和Al2O3粉末按照成分配比稱量后置于YXQM-4L型行星式球磨機中，對磨球為Ф6 mm氧化鋯陶瓷球，球料比為2∶1，球磨介質(zhì)為酒精，球磨機轉(zhuǎn)速為350 r/min，球磨4 h后轉(zhuǎn)至烘箱中進行70 ℃ 8 h的干燥處理。干燥后的粉末加入質(zhì)量比5%的聚乙烯醇溶液進行充分混合，80 ℃ 10 h干燥處理后使用HZ45-ASIDA-YM22型研磨機進行粉末細化，過200目篩后得到等離子噴涂用復合粉末。

1.2.2 等離子噴涂

將Q345B低合金鋼基體表面進行打磨、清水沖洗和酒精超聲清洗后吹干，表面噴砂處理后將基體材料預熱至145 ℃。采用BF-2000AVPS型等離子噴涂設備進行表面噴涂處理（粉末A噴涂得到涂層A，依次類推），噴涂工藝參數(shù)為：電壓為55 V，電流600 A，送粉率18 g/min，噴涂距離90 mm，保護主氣為35 L/min 高純氬氣，保護輔氣為5 L/min的H2。

1.2.3 表面修飾

將質(zhì)量分數(shù)5%的十七氟癸基三甲氧基硅烷加入乙醇中，攪拌均勻后制備得到涂層表面化學修飾劑。等離子噴涂涂層表面清洗烘干后，在化學修飾劑中60 ℃恒溫浸泡4 h，取出后依次用清洗和無水乙醇清洗后吹干，轉(zhuǎn)入烘箱中進行60 ℃ 3 h的固化處理，結(jié)束后空冷至室溫。

1.3 測試方法

噴涂粉末和涂層的物相組成采用D8 ADVANCE型X射線衍射儀進行分析，靶材選用銅靶Kα輻射，電流和電壓分別為120 mA和35 kV；表面形貌和截面形貌采用S-4800型掃描電子顯微鏡進行觀察；涂層表面粗糙度采用OLS4500 型激光共聚焦顯微鏡進行測量；結(jié)合強度測試根據(jù)GB/T 8642—2002《熱噴涂 抗拉結(jié)合強度的測定》［9］，采用Instron-5500R萬能材料試驗機進行測試；顯微硬度采用Wilson VH1102 型顯微硬度計進行測試，載荷100 g，保壓時間為15 s，結(jié)果取6組平均值；耐磨性能測試采用CETR-UMT-3型多功能摩擦磨損測試儀進行，摩擦副為Ф5 mm氮化硅球，載荷50 N，轉(zhuǎn)速100 r/min條件下摩擦20 min，記錄摩擦曲線并計算磨損失重；采用PARSTAT 4000型電化學工作站進行極化曲線和電化學阻抗譜測試，標準三電極體系（Pt電極為輔助電極、飽和甘汞電極為參比電極、涂層試樣為工作電極），電解液為質(zhì)量分數(shù)3.5% NaCl溶液，溫度為室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 物相和顯微形貌

圖1為粉末和涂層的X射線衍射分析結(jié)果。從圖1（a）的粉末XRD圖譜中可見，4種不同成分配比的混合粉末的物相都主要由α-Al2O3和Ni相組成，且當Ni60粉末質(zhì)量分數(shù)從10%增加至40%，不同成分配比的混合粉末物相并沒有發(fā)生明顯變化，也未見新相或者雜質(zhì)相出現(xiàn)。從圖1（b）的涂層XRD圖譜中可見，不同成分配比的噴涂涂層的物相都主要由Al2O3、Ni和Ni3Al相組成，這主要是因為等離子噴涂所產(chǎn)生的熱量較高，低熔點的Ni60粉末會先熔化，當溫度足夠高時Al2O3再發(fā)生熔化，并與Ni60發(fā)生反應形成Ni3Al相，高硬度Ni3Al相的形成有助于提升涂層的硬度［10］。

圖1 噴涂粉末和涂層的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of spray powder and coating

圖2為Q345B鋼基體表面等離子噴涂涂層的顯微形貌。對比分析可知，4種不同成分配比的等離子噴涂涂層表面都可見顆粒熔融堆積以及粉末顆粒撞擊而未完全鋪展形態(tài)，涂層表面未見異常凹坑或者裂紋，但是局部存在未完全熔化的顆粒和微孔，且對比分析可知，涂層D表面未完全熔化的顆粒數(shù)量最小，微孔數(shù)量最少。表面粗糙度測量結(jié)果表明，當Ni60粉末質(zhì)量分數(shù)為10%、20%、30%和40%時，涂層A、涂層B、涂層C和涂層D的表面粗糙度分別為13.68、12.56、10.80和9.82 μm，可見，涂層表面粗糙度會隨著Ni粉質(zhì)量分數(shù)增加而減小。這主要是因為自溶性Ni60粉末的熔點較低［11］，其含量升高會使得涂層中噴涂粉末熔化更加完全，在撞擊基體時鋪展更加充分，相應地在獲得較好致密性（低孔隙率）的同時具有較低的粗糙度［12］。

圖3為鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的截面形貌。從圖3可見，相同等離子噴涂工藝下，4種不同成分配比的等離子噴涂涂層都呈現(xiàn)層片狀分布特征，涂層與Q345B鋼基體間界面結(jié)合良好，未見界面處存在裂紋或者孔洞等缺陷。涂層A、涂層B、涂層C和涂層D的截面涂層厚度分別為83、89、122和129 μm，且涂層A和涂層B中由于低熔點Ni60粉末含量較低，在涂層表面可見較多的未熔化顆粒以及在涂層內(nèi)部存在較多的孔隙缺陷，而隨著涂層中低熔點Ni60粉末含量提升至30%及以上時，涂層C和涂層D表面未熔顆粒和內(nèi)部孔隙等缺陷明顯減少。這主要是因為低熔點Ni60粉末含量的提升，可以使得混合粉末在等離子噴涂過程中熔化更加充分，鋪展更加充分的同時更好地填補內(nèi)部孔隙等缺陷［13］。

圖3 鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的截面形貌Fig.3 Cross section morphology of surface coating on steel structure substrate

2.2 界面結(jié)合強度和涂層硬度

圖4為鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的結(jié)合強度測試結(jié)果。從圖4可知，涂層A、涂層B、涂層C和涂層D與鋼結(jié)構(gòu)基體的結(jié)合強度分別為26、37、50和56 MPa，即涂層與基體的結(jié)合力會隨著涂層中Ni60粉末質(zhì)量分數(shù)的提高而增大，相較而言，涂層C和涂層D與鋼結(jié)構(gòu)基體的結(jié)合強度更大，具有較好的涂層質(zhì)量。這主要是因為鋼結(jié)構(gòu)Q345B基體（12.3×10-6/K）與噴涂粉末（Ni60粉末為13.5×10-6/K、Al2O3粉末為5.8×10-6/K）的熱膨脹系數(shù)不同［14］，在熱噴涂過程中會產(chǎn)生熱應力，并抑制涂層與鋼結(jié)構(gòu)基體的結(jié)合，而噴涂粉末中Ni60粉末的熱膨脹系數(shù)相對Al2O3粉末與Q345B鋼基體的差異較小，Ni60粉末質(zhì)量分數(shù)的增加會降低涂層與界面處的熱應力［15］，提高涂層的韌性和與Q345B鋼基體的結(jié)合強度。

圖4 鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的結(jié)合強度測試結(jié)果Fig.4 Adhesion test results of surface coating on steel structure substrate

圖5為鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的截面硬度分布曲線，分別列出了4種涂層試樣從涂層表面至基體的硬度分布測試結(jié)果?？梢?，涂層區(qū)的硬度較高且分布較為均勻，在涂層與基體界面結(jié)合處存在硬度梯度下降的趨勢，涂層區(qū)和界面區(qū)的硬度都高于鋼結(jié)構(gòu)基體。在涂層區(qū)，涂層硬度從高至低順序為：涂層C＞涂層D＞涂層A＞涂層B，且對于涂層A和涂層B，由于涂層表層區(qū)域存在較多的未熔顆粒和孔隙等缺陷，未獲得穩(wěn)定的硬度值，且在涂層內(nèi)部區(qū)域的硬度波動仍然相對涂層C和涂層D更大。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的截面硬度分布曲線Fig.5 Cross section hardness distribution curve of surface coating on steel structure substrate

2.3 耐磨和耐蝕性

圖6為鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的摩擦系數(shù)-時間曲線和磨損率測試結(jié)果。從摩擦系數(shù)-時間曲線中可知，涂層A的摩擦系數(shù)最大，且摩擦系數(shù)隨著時間波動較大；涂層B、涂層C和涂層D的摩擦系數(shù)隨時間的變化幅度較??；穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)從大至小順序為：涂層C＜涂層B＜涂層D＜涂層A，這主要是因為涂層A表面存在較多的未完全熔化的顆粒和微孔、表面粗糙度較大，而其他涂層的表面粗糙度相對較小，且隨著Ni60粉末含量增加，涂層表面未熔顆粒和內(nèi)部孔隙等缺陷減少［16］。從磨損率的測試結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層中Ni60粉末含量從10%增加至40%，涂層的磨損率先減后增，涂層C具有最低的磨損率9.78×10-5mm3/（N·m），這主要與此時涂層表面粗糙度小、未熔顆粒和內(nèi)部孔隙等缺陷少以及涂層組織相對均勻等有關［17］，而繼續(xù)增加低硬度的Ni60粉末含量，涂層D中高硬度的Al2O3硬質(zhì)相含量減小，涂層硬度降低的同時磨損率增大。摩擦系數(shù)-時間曲線和磨損率測試結(jié)果保持一致，即涂層C具有最佳的耐磨性。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層的摩擦系數(shù)-時間曲線和磨損率Fig.6 Friction coefficient time curve and wear rate of surface coating on steel structure substrate

圖7為化學修飾前后涂層的電化學性能測試結(jié)果，分別列出了極化曲線和電化學阻抗譜圖，表2中同時列出了修飾前后涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度擬合結(jié)果。在對Q345B鋼基體表面涂層進行化學修飾前，涂層A的腐蝕電位為-0.98 V，腐蝕電流密度為1.42×10-5A/cm2，而隨著涂層中Ni60質(zhì)量分數(shù)從10%增加至40%，涂層B、涂層C和涂層D的腐蝕電位（熱力學參數(shù)，越正腐蝕傾向越?。?8］）都相較涂層A發(fā)生正向移動，涂層D的腐蝕電流密度（動力學參數(shù)，其值越小腐蝕速率越慢［18］）明顯減小，可見，化學修飾前涂層D的耐蝕性能最好。在對Q345B鋼基體表面涂層進行化學修飾后，涂層A的腐蝕電位為-0.87 V、腐蝕電流密度為4.45×10-6A/cm2，而隨著涂層中Ni60質(zhì)量分數(shù)從10%增加至40%，涂層的腐蝕電位先正向移動后負向移動，腐蝕電流密度先減小后增大，涂層C的腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小，化學修飾后涂層C的耐蝕性能最好。此外，對比分析可知，4種涂層在化學修飾后的腐蝕電位都發(fā)生正向移動，腐蝕電流密度降低了1～2個數(shù)量級，可見，化學修飾處理可以明顯提升Q345B鋼基體表面涂層的耐蝕性能。從化學修飾前后涂層的電化學阻抗譜對比分析可見，化學修飾前涂層的阻抗弧半徑從大至小順序為：涂層D＞涂層C＞涂層A＞涂層B，化學修飾后涂層的阻抗弧半徑從大至小順序為：涂層C＞涂層B＞涂層D＞涂層A，且化學修飾后涂層的阻抗弧半徑都明顯大于化學修飾前，而阻抗弧半徑越大、阻抗越高，抵抗腐蝕介質(zhì)侵蝕的能力愈強［19］，化學修飾前后阻抗譜得到的涂層的耐腐蝕性能變化趨勢與極化曲線測試結(jié)果保持一致，即化學修飾后涂層的耐蝕性相較化學修飾前明顯提升，且化學修飾后涂層C具有最佳的耐蝕性。這主要是因為經(jīng)過化學修飾處理后，涂層表面會形成能有效隔離腐蝕介質(zhì)與涂層的有機膜層，抑制腐蝕介質(zhì)對涂層和基體的侵蝕［20］，提升涂層耐蝕性。

圖7 化學修飾前后涂層的電化學性能Fig.7 Electrochemical performance of coatings before and after chemical modification

表2 修飾前后涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度擬合結(jié)果Tab.2 Fitting results of corrosion potential and corrosion current density of coatings before and after modification

3 結(jié)論

（1）涂層A、涂層B、涂層C和涂層D的表面粗糙度分別為13.68、12.56、10.80和9.82 μm，截面涂層厚度分別為83、89、122和129 μm，與鋼結(jié)構(gòu)基體的結(jié)合強度分別為26、37、50和56 MPa；涂層區(qū)和界面區(qū)的硬度都高于鋼結(jié)構(gòu)基體，涂層區(qū)涂層硬度從高至低順序為：涂層C＞涂層D＞涂層A＞涂層B。

（2）4種涂層的平均摩擦系數(shù)從大至小順序為：涂層C＜涂層B＜涂層D＜涂層A；鋼結(jié)構(gòu)基體表面涂層中Ni60粉末含量從10%增加至40%，涂層的磨損率先減后增，涂層C具有最低的磨損率9.78×10-5mm3/（N·m）。

（3）4種涂層在化學修飾后的腐蝕電位都發(fā)生正向移動，腐蝕電流密度降低了1～2個數(shù)量級；化學修飾前涂層的阻抗弧半徑從大至小順序為：涂層D＞涂層C＞涂層A＞涂層B，化學修飾后涂層的阻抗弧半徑從大至小順序為：涂層C＞涂層B＞涂層D＞涂層A，且化學修飾后涂層的阻抗弧半徑都明顯大于化學修飾前。極化曲線和電化學阻抗譜測試結(jié)果保持一致，即化學修飾后涂層的耐蝕性相較化學修飾前明顯提升，且化學修飾后涂層C具有最佳的耐蝕性。