通过原位生成Zn-Fe-Ti金属间相，在DP980钢表面制备超疏水镀锌涂层：一种新方法

《Surface and Coatings Technology》：Superhydrophobic galvannealed coating on DP980 steel by in-situ generation of Zn-Fe-Ti intermetallic phases: A new approach

本研究通过添加钛到传统Zn-0.2Al浸镀浴中，调控热镀锌退火（GA）涂层中Zn-Fe合金层的相组成，以实现超疏水表面。实验表明，Ti的引入抑制脆性Γ相生成，促进韧性δ相形成，同时降低表面能，显著提升涂层附着力（达32 MPa）和耐腐蚀性（盐雾试验达5000小时），无需后续处理。

　　在现代工业应用中，钢材的防腐性能一直是关注的重点。特别是在建筑和汽车领域，热浸镀锌（GI）涂层被广泛用于保护钢材免受腐蚀。然而，为了进一步提升其性能，研究人员开始探索在镀锌过程中引入额外的处理步骤，如退火处理，以形成热浸镀锌-退火（GA）涂层。GA涂层因其在焊接性和涂装性方面的显著改善，以及更强的抗腐蚀能力，逐渐成为工业应用中的优选材料。为了进一步增强这些涂层的防护性能，超级疏水表面的开发成为了当前研究的热点之一。超级疏水表面可以通过两种主要方法实现：一是通过表面粗糙化形成微纳米结构，二是通过降低表面能来实现疏水效果。然而，这些方法通常伴随着高能耗、复杂的化学处理以及对特殊设备的依赖，使得它们在大规模连续镀锌生产线中的应用受限。因此，开发一种无需使用低表面能二次涂层、同时不损害钢材机械性能和抗腐蚀能力的单步工艺，成为了当前研究的一个重要挑战。

在连续镀锌退火过程中，锌原子与钢材中的铁原子在热力学驱动下发生相互扩散，形成多种不同的金属间化合物。这些化合物的组成和结构会随着退火过程的变化而改变，例如，从钢基体到涂层表面，铁含量逐渐减少，形成了从伽马（Γ-Fe3Zn10）到泽塔（ζ-FeZn13）再到伊塔（?-Zn）的不同相序。不同金属间化合物的机械性能和晶体结构差异显著，对GA涂层的整体性能产生了深远影响。例如，伽马相（BCC结构）由于其脆性，可能导致涂层与基体之间的界面脱粘，从而引发剥离现象。相比之下，泽塔相和德尔塔相（δ-FeZn10）具有更高的断裂韧性，有助于提升涂层的抗裂性能。因此，优化涂层中金属间化合物的组成，特别是增加德尔塔相的含量，对于提高GA涂层的机械性能和抗腐蚀能力至关重要。

为了实现这一目标，研究人员尝试在镀锌浴中引入合金元素，如锰（Mn）、镁（Mg）、硅（Si）、镍（Ni）、铝（Al）以及稀土元素（RE）。这些合金元素能够显著改变涂层的微观结构，从而影响其硬度、延展性和抗腐蚀性能。例如，某些合金元素的添加可以促进金属间化合物的形成，改善涂层与基体之间的结合力。然而，这些合金元素的引入也带来了一些新的问题，如涂层颜色的变化、表面氧化层的形成等，这些问题可能会影响涂层的美观性和应用性。因此，如何在提升涂层性能的同时避免这些负面效应，成为了一个重要的研究方向。

在众多合金元素中，钛（Ti）因其独特的物理化学性质而备受关注。钛能够有效促进金属间化合物的形成，尤其是在锌和铁的扩散过程中，钛的加入可以显著影响涂层的微观结构和性能。研究表明，钛的添加可以减缓伽马相的生长速度，同时促进德尔塔相的形成。此外，钛还能够改善涂层的表面粗糙度，从而有助于实现超级疏水效果。然而，钛的添加也伴随着一些挑战，如在镀锌过程中形成的氧化层可能导致涂层出现不希望的颜色变化，这在某些应用场景中是不可接受的。因此，如何在不引入有害氧化层的前提下，有效利用钛的特性，成为了当前研究的一个关键课题。

为了克服上述问题，研究者们尝试在镀锌浴中加入铝、锰和镁等元素，以降低钛导致的涂层颜色变化。这些元素的协同作用可以有效改善涂层的外观，同时保持其优异的机械和抗腐蚀性能。此外，钛与锌和铝形成的三元合金系统，如Zn-Al-Ti，已经被证明能够形成多种金属间化合物，从而进一步优化涂层的性能。这些合金系统的相平衡研究显示，钛的加入可以显著改变涂层中金属间化合物的种类和分布，为实现超级疏水表面提供了新的思路。

在实际工业应用中，镀锌退火过程的优化对于实现高性能涂层至关重要。传统上，为了达到所需的铁含量，工业生产中通常采用较高的退火温度或较长的退火时间。然而，这些方法往往需要较长的处理时间，增加了生产成本。因此，开发一种能够在较短时间内实现所需涂层性能的新型工艺，成为了提升生产效率的关键。通过系统研究钛在镀锌浴中的作用，以及其对金属间化合物形成的影响，研究者们希望能够找到一种能够在不牺牲涂层性能的前提下，实现高效生产的解决方案。

在本研究中，我们选择了一种先进的高强度钢（DP 980）作为实验材料，并采用了一种成本效益高的溶胶-凝胶法（sol method）对其进行预处理，以增加其表面铁含量。随后，我们将其置于传统的Zn-0.2Al镀锌浴中进行热浸镀锌，并在退火过程中引入钛元素，以观察其对涂层性能的影响。通过详细的微结构表征，我们发现钛的加入能够显著改变涂层中金属间化合物的组成和分布，从而影响其表面特性。具体来说，钛的加入可以抑制伽马相的生长，促进德尔塔相的形成，同时改善涂层的表面粗糙度，使其更接近超级疏水表面的形成条件。

为了进一步验证这些发现，我们进行了系统的表面表征和性能测试。通过电子能谱（EDS）和X射线衍射（XRD）分析，我们确认了涂层中金属间化合物的组成，并观察到了钛对这些化合物形成的影响。此外，我们还评估了涂层的疏水性能、附着力以及抗腐蚀能力。结果显示，钛的加入不仅能够提高涂层的疏水性，还能增强其与基体的结合力，从而提升整体的防护性能。这一发现为实现一种高效、低成本的超级疏水涂层提供了新的思路。

值得注意的是，尽管钛在镀锌浴中的应用显示出诸多优势，但其在实际生产中的应用仍面临一些挑战。例如，钛的加入可能会导致涂层颜色的变化，这在某些应用中是不可接受的。此外，钛的引入还可能影响镀锌浴的化学稳定性，增加生产过程中的控制难度。因此，如何在不引入有害副产物的前提下，合理控制钛的加入量和处理条件，是实现这一目标的关键。

本研究的另一个重要目标是探索一种单步工艺，能够在镀锌和退火过程中实现对金属间化合物的调控，从而直接形成具有超级疏水性能的GA涂层。这一方法的优势在于，它无需额外的表面处理步骤，能够简化生产流程，降低成本。同时，它还能够保持涂层原有的机械性能和抗腐蚀能力，确保其在工业应用中的可靠性。通过系统的实验和分析，我们发现，钛的加入能够在不牺牲涂层性能的前提下，有效提升其疏水性，为实现这一目标提供了实验依据。

在实际应用中，超级疏水涂层不仅能够提高钢材的抗腐蚀能力，还能增强其在恶劣环境下的耐久性。例如，在潮湿或盐雾环境中，超级疏水表面能够有效减少水分子的附着，从而降低腐蚀的风险。此外，超级疏水表面还能够提高涂层的自清洁能力，减少维护成本。因此，开发一种能够在不改变涂层原有性能的前提下，实现超级疏水效果的工艺，具有重要的实际意义。

综上所述，钛在镀锌浴中的应用为实现高性能的GA涂层提供了新的可能性。通过调控钛的加入量和退火条件，可以有效改变涂层中金属间化合物的组成，从而提升其疏水性、附着力和抗腐蚀能力。然而，这一过程仍需进一步研究，以解决钛引入带来的颜色变化和化学稳定性问题。未来的研究方向应集中在如何优化钛的添加方式，使其在不引入有害副产物的前提下，发挥最大的性能提升效果。同时，还需要探索其他合金元素的协同作用，以进一步改善涂层的性能。这些研究不仅能够推动镀锌技术的发展，还能够为其他金属涂层的性能优化提供参考。