在高氯化物环境中，缺陷锌基和铝基热喷涂涂层在碳钢板上的耐久性和抗腐蚀性

《Results in Engineering》：Durability and Corrosion Resistance of Defective Zn- and Al-Based Thermal Spray Coatings on Carbon Steel Plates in High-Chloride Environments

本研究系统评估了高氯环境中含缺陷金属热喷涂涂层的耐久性与腐蚀抗性，重点对比Zn、Al、Zn-15Al和Al-5Mg四种常用工程涂层材料。通过引入均匀人工缺陷模拟实际损伤场景，结合循环盐雾加速腐蚀实验、微观形貌分析和电化学测试，发现Zn涂层通过牺牲阳极保护初期有效，但孔隙导致长期耐久性不足；Al涂层形成致密稳定氧化膜，耐久性显著提升；Zn-15Al通过铝层形成层状双氢氧化物抑制腐蚀；Al-5Mg因镁优先溶解促进铝钝化，长期电流密度最低。研究揭示了涂层缺陷对耐久性的关键影响，为工程选材和维护提供依据。

　　在现代工程实践中，金属涂层被广泛用于保护钢结构免受腐蚀。这些涂层通过与钢基体形成保护层，提供屏障保护和电化学保护双重机制，以延长结构的使用寿命。然而，在实际应用中，涂层往往因机械损伤、施工缺陷或使用过程中的碰撞导致表面出现裂纹、孔洞等缺陷。这些缺陷会显著影响涂层的防护性能，因为它们可能成为腐蚀介质渗透的通道，加速涂层的降解和基体的腐蚀过程。因此，研究具有缺陷的热喷涂涂层在高氯离子环境下的耐久性和耐腐蚀性，对于提升工程结构在海洋、桥梁等高腐蚀环境中的性能至关重要。

本研究聚焦于四种常见的热喷涂金属涂层材料：锌（Zn）、铝（Al）、锌铝合金（Zn-15Al）和铝镁合金（Al-5Mg）。这些材料在不同腐蚀环境中表现出不同的保护机制，因此需要在统一实验条件下进行系统比较。实验采用人工引入均匀缺陷的方法，模拟了热喷涂涂层在实际应用中可能遇到的潜在损伤情况，并通过加速腐蚀试验，评估其在高腐蚀性环境中的表现。试验环境包括高氯离子浓度的盐雾（5% NaCl溶液，pH值为6.5-7.2）、干燥和湿润阶段的循环腐蚀测试，模拟了海洋环境中常见的湿干交替条件，温度范围在35至50°C之间，相对湿度在45%至95%之间。这种试验条件能够加速腐蚀过程，从而在较短时间内反映长期暴露于自然环境中的腐蚀行为。

在实验过程中，对所有试样进行了宏观表面变化的观察，并在特定腐蚀周期后进行了显微结构分析和电化学测试。实验发现，锌基涂层在前200个腐蚀周期内能够有效抑制钢基体的腐蚀，通过牺牲保护机制，使锌层氧化并形成保护性氧化物层。然而，随着腐蚀周期的增加，锌层逐渐被消耗，其腐蚀电流密度从初始的1.5 μA·cm?2迅速上升至超过100 μA·cm?2，表明锌层的保护能力随时间减弱。相比之下，铝基涂层在腐蚀过程中表现出更高的稳定性，其腐蚀电流密度在整个实验周期内保持在较低水平，且阻抗值始终保持在10? Ω·cm2以上，显示出铝氧化物层对基体的高效保护能力。铝镁合金涂层则表现出协同保护机制，镁的早期溶解促进了氧化物的快速形成，而铝的长期钝化作用则维持了较低的腐蚀电流密度（2-3 μA·cm?2）和稳定的电位（-920 mV），显示出其在高氯离子环境中的优越性能。

在宏观观察中，锌基涂层在200个周期后出现明显的氧化现象，表面覆盖白色氧化锌层，而在缺陷区域，氧化锌层未能完全覆盖钢基体，导致锈迹逐渐显现。随着腐蚀周期的增加，锌涂层的保护能力显著下降，最终在1000个周期后几乎完全消耗，导致钢基体的严重腐蚀。相比之下，铝基涂层在整个实验周期内保持良好的表面状态，缺陷区域的腐蚀产物仅限于薄层的氧化铝，而未对钢基体造成明显影响。铝镁合金涂层则表现出最佳的耐久性，其腐蚀产物主要为氧化铝，且在1000个周期后，仍然保持较低的腐蚀电流密度和稳定的电位，说明其在高氯离子环境中具有优异的保护性能。

从电化学测试的角度来看，锌基涂层的腐蚀电流密度在实验过程中迅速上升，尤其是在缺陷区域，由于锌层的快速消耗，导致腐蚀速率显著增加。铝基涂层的腐蚀电流密度则相对稳定，显示出其在高氯离子环境下的优越耐腐蚀性。铝镁合金涂层在初期表现出较高的腐蚀电流密度，但随着腐蚀的进行，由于镁的牺牲性溶解，形成了稳定的氧化铝层，从而显著降低了腐蚀电流密度，表现出良好的协同保护效果。此外，铝镁合金涂层的电位在整个实验过程中保持相对稳定，说明其钝化层具有较高的电化学稳定性，能够有效抑制进一步的腐蚀反应。

在微观结构分析中，扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDX）结果显示，锌基涂层在腐蚀过程中形成了较为松散的氧化物层，如锌羟基氯化物（ZHC）和锌铝氢氧化物（ZAC），这些氧化物层的结构较为疏松，容易出现微孔和裂纹，从而成为腐蚀介质渗透的通道。相比之下，铝基涂层形成了较为致密的氧化铝层，能够有效阻挡腐蚀介质的渗透，保护钢基体免受腐蚀。铝镁合金涂层在腐蚀初期由于镁的优先溶解，形成了稳定的氧化铝层，而在长期暴露中，该氧化层依然保持良好的保护性能，显示出其在高氯离子环境中的卓越耐久性。

此外，本研究还通过X射线衍射（XRD）分析了不同涂层在400个腐蚀周期后的腐蚀产物结构。结果表明，锌基涂层主要形成ZnO和ZHC，而铝基涂层则形成Al?O?。锌铝合金涂层由于铝的加入，形成了ZAC，这种材料能够有效捕捉和固定氯离子，从而抑制腐蚀过程。铝镁合金涂层则未检测到镁的化合物，这表明镁在初期发挥了牺牲性保护作用，而铝则在长期中维持了稳定的钝化状态。

本研究的结果表明，在高氯离子环境中，不同涂层的保护机制存在显著差异。锌基涂层虽然在初期具有较强的牺牲性保护能力，但其耐久性较差，容易被腐蚀介质侵蚀，导致涂层快速失效。铝基涂层则表现出良好的耐久性和稳定的保护能力，但由于其保护主要作用于涂层本身，对暴露的钢基体保护有限。铝镁合金涂层则通过镁的早期溶解和铝的长期钝化，实现了更持久的保护效果，其在1000个腐蚀周期后仍然保持较低的腐蚀电流密度和稳定的电位，显示出其在高氯离子环境中的优越性能。

在工程应用中，选择合适的涂层材料需要综合考虑环境条件、成本效益和维护需求。锌基和锌铝合金涂层由于其较低的成本和简便的施工工艺，适用于大规模应用，特别是在对经济性要求较高的场景中。而铝基涂层，尤其是铝镁合金，因其更长的耐久性和更稳定的保护能力，更适合用于对长期防护性能有更高要求的环境，如海洋和海上平台等。因此，根据具体的应用环境和防护需求，合理选择涂层材料对于延长工程结构的使用寿命具有重要意义。

本研究的实验设计和方法论为评估和选择热喷涂涂层提供了科学依据。通过引入统一的人工缺陷，模拟了实际应用中可能遇到的损伤情况，并在高氯离子环境中进行了系统比较。研究不仅揭示了不同涂层材料的腐蚀行为，还提供了关于其耐久性和保护机制的定量和定性证据。这些发现有助于优化涂层材料的选择，提高工程结构在恶劣环境中的防护性能，并为未来的研究提供了方向。尽管本研究取得了一定成果，但仍存在一些局限性，例如未考虑其他类型的缺陷、尺寸和分布对涂层性能的影响，以及未涵盖紫外线辐射、雨水冲刷等复杂环境因素。这些方面将在未来的研究中进一步探讨，以深化对热喷涂涂层防护机制的理解，并提高其在实际工程中的应用价值。