沿海设施环境适应性试验和评价方法研究进展

概述了沿海设施所服役的腐蚀环境分类,主要分为海洋大气、浪花飞溅区及海水浸泡区,并对其暴露于大气和不同海洋环境位置的环境适应性试验评估方法进行了系统的总结分析。海洋大气环境模拟采用干湿交替加速腐蚀法,或建立户外大气暴露试验台开展试验;海水飞溅区试验通过实验室建海水冲刷试验装置进行模拟试验,或在实际环境中建立腐蚀试验中心开展试验;海水浸泡环境模拟通过海洋工程深水试验池开展试验。本研究对于开展海洋环境钢结构设施的防护性能考核评估具有重要意义,对沿海设施的环境适应评估方法发展具有指导意义。

BI@ZIF-8/EP涂层的制备及在深海压力下的防护性能研究

目的制备负载苯并咪唑(BI)的BI@ZIF-8粒子,研究BI@ZIF-8/EP涂层在2种静水压力下的失效行为。方法制备并表征BI@ZIF-8粒子。制备BI@ZIF-8/EP涂层,在常压(0.1 MPa)和模拟深海压力(6 MPa)开展浸泡实验。通过微观形貌、失光率、色差、附着力、红外光谱、电化学阻抗谱等手段进行涂层失效行为对比分析。结果成功制备了BI@ZIF-8粒子;在相同压力条件下,BI@ZIF-8/EP涂层具有更高的附着力和阻抗值;同种涂层在6 MPa下退化更加严重,附着力和阻抗值下降速率增大;随着浸泡时间的延长,6 MPa下BI@ZIF-8/EP涂层中的BI特征峰强度明显减弱,2种涂层的主要特征峰强度均有下降。结论ZIF-8粒子中的咪唑基,能增加环氧涂层交联密度,降低侵蚀性粒子渗透速率;高静水压能显著加速侵蚀性粒子向涂层内部的扩散,并加速有机涂层失效进程;BI分子和2-Melm分子中N原子的孤电子对与Fe原子的空轨道能在金属基体表面形成吸附膜,并且Zn^(2+)和OH^(−)能在金属基体表面形成沉积膜,有效减缓了金属腐蚀。此外,2种涂层的退化机制不受静水压力升高的影响。

模拟海水环境中8-羟基喹啉对B10铜合金的缓蚀行为研究

目的研究模拟海水环境中8-羟基喹啉(8-HQ)对B10铜合金的缓蚀行为。方法采用动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)和失重法等手段,研究不同浓度8-HQ在1 mol/L NaCl溶液中对铜合金的缓蚀效果,并采用傅里叶变换红外光谱仪对铜合金表面的锈层成分进行分析。结果中时,其自腐蚀电流密度减小,阻抗模值增大。随着8-HQ浓度的升高,8-HQ对铜合金的缓蚀效率表现出先升高、后下降的阶段性特征。当铜合金浸泡在10 mg/L 8-HQ的NaCl溶液中时,阻抗模值和缓蚀效率随着浸泡时间的延长总体表现出增大的趋势。同时,对锈层的红外光谱分析进一步证明了Cu(8-HQ)2的存在。结论8-HQ的存在减小了铜合金在NaCl溶液中的腐蚀速率,这与8-HQ在铜合金表面形成了保护膜,阻止氧从溶液中向阴极区域迁移有关。当8-HQ的质量浓度为10 mg/L时,其对铜合金的缓蚀效果最佳,并且该浓度下铜合金的耐腐蚀性能随着浸泡时间的延长持续上升。主要原因是8-HQ和Cu2+形成的[Cu(Ⅱ)HQ]络合膜与不断增厚的CuCl2保护膜在铜合金表面产生协同作用,从而抑制了电极的腐蚀反应。

结合WBE与EIS技术研究环氧涂层下碳钢与铜合金在海水中的电偶腐蚀

目的研究环氧涂层下碳钢与铜合金在海水中的电偶腐蚀行为及涂层整体和局部区域的劣化过程。方法使用丝束电极(WBE)技术和电化学阻抗谱(EIS)技术研究丝束电极表面的电流密度分布和涂层阻抗谱演化,同时对比分析碳钢区域与铜合金区域涂层的阻抗谱特征。结果阳极电流峰首先出现在碳钢局部区域,而电流密度较大的阴极电流峰主要集中出现在铜合金区域的边缘。当浸泡至122 h时,铜合金区域的涂层阻抗明显低于碳钢区域的涂层阻抗,且EIS响应出现了Warburg扩散阻抗特征。在浸泡456 h后,单根钢电极发生由阴极向阳极的极性转换。结论涂层下碳钢与铜合金在海水中发生电偶腐蚀时,铜合金作为阴极被保护,但铜合金区域的涂层在阴极剥离的作用下加速劣化。在涂层劣化过程中,碳钢区域的涂层缺陷处成为腐蚀反应的阳极区,而主要的阴极区位于铜合金的边缘区域,这与溶解氧的“竞争效应”有关。由于涂层发生阴极剥离现象使得基底金属被腐蚀,从而导致涂层下单根钢电极的电流发生由阴极向阳极的极性转换。

2A12铝合金硬质阳极氧化及膜层性能研究

目的对混合酸电解液体系中2A12铝合金硬质阳极氧化膜层的制备及性能进行研究。方法采用以硫酸为主的混合酸电解液体系,对2A12铝合金进行硬质阳极氧化,研究混合酸电解液主要成分对2A12硬质阳极氧化膜层性能的作用和影响。结果在硫酸的溶解、有机酸吸附以及添加剂的耦合作用下,混和酸电解液避免了2A12铝合金硬质阳极氧化膜制备过程中存在的烧蚀现象,膜层平均硬度达到400HV0.05以上。WX添加剂能够明显改善2A12铝合金硬氧化膜层的耐蚀性能,经过168 h的中性盐雾试验,仅出现了5%的白霜,但与相同厚度的7A04铝合金硬质阳极氧化膜层相比,耐蚀性较差。结论建议制备有耐蚀性要求的硬质阳极氧化膜层时选用铜含量较低的铝合金材料。

典型海域船舶用铜材表面生物污损与腐蚀性能研究

目的对比研究铜合金、紫铜在我国黄海、东海和南海海域具有代表性的港口海水环境中的污损、腐蚀行为。方法依据GB 12763.6—2007《海洋调查规范》和GB/T 5776—2005《金属和合金的腐蚀试验方法》,通过实海挂片研究ZQMnD12-8-3-2、铜镍合金B10/B30和紫铜T2在我国典型海域青岛港口、舟山港口、三亚港口的生物污损与腐蚀状况。结果铜镍合金B10、B30和紫铜T2在三海域均具有良好的抑制污损生物附着的性能,其中紫铜抑制污损生物附着的性能最为突出,但其腐蚀严重,腐蚀速率为3.97×10^(-2)~8.48×10^(-2) mm/a;铸造青铜ZQMnD12-8-3-2虽然含铜量略高于铜镍合金B30,但由于其腐蚀产物易附着于材料表面,其污损抑制性能较差。结论铜镍合金B10、B30和紫铜T2均有抑制污损生物附着的性能,但受不同海域环境因素和材料表面腐蚀产物致密性的影响有所差异。受泥沙水质影响,舟山港口内铜合金的腐蚀速率较高,腐蚀显著,三亚港口内紫铜的腐蚀速率最高。

Q235碳钢在静止和流动条件下的腐蚀不均匀性研究

目的研究Q235碳钢在静止和流动条件下腐蚀程度和主要腐蚀区域的差异。方法使用丝束电极(WBE)技术和电化学阻抗谱(EIS)技术分别研究了WBE在静止和流动条件下的电流密度分布、电荷转移电阻以及腐蚀形貌的变化和差异,同时分析了电极的极性转换现象。结果流动条件下Q235碳钢的电荷转移电阻明显降低。在静止条件下,Q235碳钢表面阳极电流区域所占的最大比例为47%,且阳极电流峰集中出现在WBE的中间区域,而四周边缘处的阳极电流峰较少。在流动条件下,Q235碳钢表面的阳极电流区域所占的最大比例为58%,阳极电流峰随机分布在整个WBE表面,且电流分布区间明显变窄。浸泡在静止条件下的58~#电极和流动条件下的39~#电极发生了多次极性转换现象。结论 Q235碳钢在静止和流动条件下均发生了明显的不均匀腐蚀现象。流动条件加剧了Q235碳钢的腐蚀且降低了腐蚀不均匀性。静止条件下Q235碳钢的腐蚀区域集中在中间区域,流动条件下Q235碳钢的腐蚀区域随机分布在整个碳钢表面。静止和流动条件下的钢电极均发生了电流的极性转换现象。

环氧涂层在不同温度海水中的失效行为研究

目的研究环氧涂层在不同温度海水环境中的腐蚀失效行为。方法采用电化学阻抗谱(EIS)技术研究两种海水环境中涂层的EIS特征,同时分析涂层电阻和涂层电容的变化,以研究环氧涂层防护性能随浸泡时间的变化。结果涂层在15℃海水中浸泡1440 h时,阻抗值下降至106?·cm2以下,而在30℃海水中仅浸泡72h时,阻抗值就已下降至106?·cm2。随着浸泡时间的增加,涂层在15℃海水中的EIS响应由高阻抗的单容抗弧变为双容抗弧,而在30℃的海水中,EIS响应首先由单容抗弧演变为双容抗弧,随后又出现了明显的Warburg扩散阻抗特征。涂层电容在两种温度的海水中均呈上升趋势,电阻呈下降趋势。结论涂层在30℃海水中的劣化速度加快,是因为升高温度能够降低涂层与金属间的结合力,加快了海水向涂层内部渗透的速率。由于温度的升高加快了溶解氧的扩散速率,使得氧扩散过程成为腐蚀反应的控制步骤,从而导致了涂层在30℃海水中的EIS响应出现了明显的Warburg扩散阻抗特征。当环氧涂层在15℃与30℃的海水中浸泡1800 h时,其防护性能的变化可以分为快速下降、缓慢下降、趋于稳定三个阶段。

深海静水压力对环氧涂层/907A低合金钢体系失效行为的影响

目的探究深海静水压力作为单一因素影响涂层/金属体系的失效过程。方法在深海环境模拟实验装置中开展环氧涂层/907A低合金钢体系的浸泡实验,从电化学阻抗谱、涂层湿附着力、涂层微观形貌及其化学结构等方面分析涂层的失效机理。结果当静水压力为0.1 MPa和15 MPa时,涂层阻抗值分别下降至3.83×10^(6)Ω·cm^(2)和6.28×104Ω·cm^(2),涂层湿附着力分别下降至2.76 MPa和2.31 MPa。在不同静水压力下,水在涂层中的前期扩散形式均符合Fick扩散定律,而涂层下水的扩散系数从1.05×10^(-9) cm^(2)/s增加至2.39×10^(-9) cm^(2)/s。随着静水压力的升高,环氧涂层表面的孔隙以及裂纹不断发展并出现了鼓泡。在静水压力为0.1 MPa条件下腐蚀产物以γ-FeOOH为主,静水压力升高后腐蚀产物Fe_(3)O_(4)含量明显增加,除锈后的腐蚀坑直径由15μm增加至25μm。结论高静水压力可以加速腐蚀性介质向涂层内部以及涂层/金属界面的渗透,涂层湿附着力迅速下降,涂层失效更加严重。高静水压力能够促进腐蚀产物中高电化学活性Fe_(3)O_(4)的生成。此外,静水压力下涂层失效的主要原因是物理结构受到破坏。

氟聚合物耐磨自润滑涂层的性能与工程应用效果

目的介绍自主研发的氟聚合物耐磨自润滑涂层(简称为协合涂层)的基本性能、测试评价结果、工程应用效果及方向。方法采用TOKYO SEIMITSU Surfcom测量仪、SEM、电子探针线扫描分析、显微硬度仪、球盘式磨损试验仪、MM摩擦试验仪、Table摩擦磨损试验仪、CI4000氙灯老化测试仪及FY-10E盐雾试验箱等,对涂层的性能进行了表征,并且通过应用实例分析介绍了该涂层的主要应用情况。结果涂层厚度可控制在20~60μm,铝合金涂层硬度为400~600HV,钢铁材料涂层硬度为700~950HV,涂层摩擦系数小于0.15,磨损量小于50 mg/10 000 r,耐中性盐雾试验达336 h以上,抗光老化试验800 h,在165℃仍具有高温阻粘性能。涂层的综合防护性能突出,可满足耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐温、阻粘等单一或综合功能性防护需求。结论氟聚合物耐磨自润滑涂层兼有阳极氧化膜或电镀层与控制渗入的低摩擦聚合物或润滑剂的优点,在铝合金和钢铁材料上的规模化应用表明,该涂层的性能和工艺技术状态稳定,具有广泛的工程应用价值。

海洋大气环境对铝合金电连接器壳体腐蚀及电气性能影响

目的研究海洋大气环境对2A12和6061铝合金电连接器性能的影响。方法开展2A12和6061铝合金电连接器在海南万宁试验站4 a棚下暴露试验,通过宏微观形貌观察和电气性能测试对比分析两种铝合金电连接器壳体的腐蚀差异和电气性能变化。结果两种铝合金电连接器壳体均出现镀层鼓泡、剥落和基体腐蚀,6061铝合金电连接器壳体腐蚀程度高于2A12铝合金电连接器。2A12铝合金基体发生点蚀和晶间腐蚀,6061铝合金基体发生剥蚀,基体腐蚀产物堆积,导致镀镍层开裂剥落,进而失去防护作用。相对于导通性能、耐压强度,电连接器的绝缘电阻对海洋大气环境更为敏感。结论铝合金化学镀镍壳体电连接器在热带海洋大气环境下不适宜长期使用。

实海浸泡条件下聚氨酯涂层的失效行为

目的在青岛市小麦岛试验站开展实海浸泡试验,探究聚氨酯涂层在实际服役过程中的失效行为。方法选用TS55-80聚氨酯涂层/Q235碳钢体系为试验样品,开展实海浸泡试验。从聚氨酯涂层的表面形貌、失光率、色差、涂层附着力、化学结构及涂层热稳定性等角度对聚氨酯涂层的失效行为进行研究。结果在实海浸泡条件下,聚氨酯涂层表面会出现明显的鼓泡和裂纹等缺陷,在浸泡6个月后的涂层表面可以观察到明显的腐蚀产物。随着浸泡时间的延长,涂层的化学结构发生了明显变化,涂层的热稳定性显著降低。在浸泡12个月后,聚氨酯涂层的失光率为69.9%,属于严重失光;涂层的色差达到3.20,属于轻微变色,涂层的附着力降至0.82 MPa,涂层与金属基体的结合强度大幅下降;聚氨酯涂层的阻抗值降至2.81×10^(3)Ω·cm^(2),说明涂层的防护性能基本丧失。结论在实海浸泡条件下,聚氨酯涂层中颜料颗粒的脱落会造成涂层表面孔隙数量的增加,这会加速海水中水和氧气等腐蚀性介质的渗透过程,使得涂层/金属界面处的电化学反应快速进行,导致涂层的防护性能快速下降。此外,聚氨酯链中氨基甲酸酯键的水解是造成聚氨酯涂层发生降解的主要原因。

电解液对2A12铝合金硬质阳极氧化膜层性能的影响

目的对硫酸、混合酸电解液体系中制备的2A12铝合金硬质阳极氧化膜层性能进行研究,找出混合酸电解液体系对2A12铝合金硬质阳极氧化过程的影响机理,为改善膜层的耐蚀性能提供一种思路。方法通过对膜层厚度、显微硬度、微观形貌、极化曲线、交流阻抗试验结果进行分析,研究不同电解液对2A12硬质阳极氧化膜层性能的影响。结果在有机酸的活性吸附作用下,混和酸电解液解决了硫酸电解液制备2A12铝合金硬质阳极氧化膜存在的厚度、硬度不均匀及烧蚀现象,制备的膜层厚度范围为35～38μm,硬度范围为386～407HV0.05,具有厚度和硬度分布均匀、离散性小的特点。极化曲线及电化学交流阻抗分析表明,混合酸电解液体系中制备的2A12铝合金硬质阳极氧化膜层未进行封孔处理时,膜层的自腐蚀电位为-619.93 m V,阻挡层电阻为1.4×105Ω·cm2;封孔处理后,膜层的自腐蚀电位为-74.69m V,阻挡层电阻为2.376×106Ω·cm2。这说明封孔处理能够改善阻挡层的质量,显著提高膜层的耐腐蚀性能。结论采用混合酸电解液体系能够稳定制备出2A12铝合金硬质阳极氧化膜层,制备的膜层应进行封孔处理。

不同温度对环氧涂层形状记忆效应和防护性能的影响

目的研究不同温度对环氧涂层形状记忆效应和防护性能的影响。方法将等物质的量的双酚A二缩水甘油醚、新戊二醇二缩水甘油醚和D230固化剂进行混合,以制备自修复防腐涂层。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)和附着力测试仪测试了环氧涂层的化学结构和力学性能,并对不同温度下环氧涂层的形状回复率进行测量,以表征其形状记忆性能。通过电化学阻抗谱(EIS)技术表征了环氧涂层的电化学性能,并通过电子数码显微镜记录划痕涂层的微观形貌演变。结果不同温度下具有自修复功能的防腐涂层,在红外光谱图中的主要特征峰和相对强度与未加热的环氧涂层基本一致,并且不同温度下环氧涂层的粘结强度均超过了13 MPa。随着加热温度的升高,环氧涂层的回复率先快速增大后缓慢增加,阻抗模值则先增大后减小,划痕宽度则先减小后基本不变。在相同的浸泡时间里,经70℃加热后的环氧涂层的阻抗值均明显高于未加热的阻抗值。结论在一定的温度范围内,自修复防腐涂层未发生降解反应,并具有优异的附着力性能。升高温度使分子链段的运动增强,从而提高了环氧涂层的自修复效能,而加热温度过高时,涂层的自修复性能并未进一步增强,因此得出环氧涂层形状记忆效应的最佳响应温度为70℃。环氧涂层在70℃加热后已触发其形状记忆效应,使得划痕宽度显著变窄,极大提升了划痕涂层的防护性能。

苯并三唑对碳钢/铜合金电偶腐蚀行为的影响

目的研究NaCl溶液中苯并三唑(BTA)对碳钢/铜合金电偶腐蚀行为的影响。方法使用丝束电极(WBE)技术和电化学阻抗谱(EIS)技术研究在未添加和添加BTA的NaCl溶液中,丝束电极表面的电位分布、电流密度分布和电化学阻抗谱演化,同时对比分析碳钢区域与铜合金区域的阻抗谱特征。结果在未添加BTA的条件下浸泡72 h时,碳钢表面阳极电流区域所占比例为80%,且电流密度的分布区间较窄。在添加BTA的条件下浸泡72 h后,碳钢表面的阳极面积占比为86%,其电流密度的分布区间明显变宽。铜合金在添加缓蚀剂条件下的阻抗值大于未添加缓蚀剂条件下的阻抗值;碳钢在添加和未添加BTA溶液中的阻抗均较小。结论铜合金和碳钢在NaCl溶液中电耦合时,BTA的添加会增大碳钢的电化学不均匀性。在铜合金和碳钢的电偶腐蚀过程中,BTA的添加仅对铜合金起到了良好的缓蚀作用,对碳钢的缓蚀作用并不明显。与碳钢/铜合金偶对相比,铜合金在含有BTA的溶液中单独浸泡时,表面形成的Cu-BTA分子膜更稳定且缓蚀效果更好。随着浸泡时间的延长,WBE在添加BTA的NaCl溶液中的电极反应速率逐渐增加,而在未添加BTA的条件下WBE的电极反应速率的变化恰好相反。