冷喷涂Zn-Ta复合涂层的腐蚀行为机制与协同防护性能优化研究

针对锌基涂层在腐蚀环境中耐久性不足的问题，中国科学院研究人员通过冷喷涂技术(CGDS)制备了Zn-xTa复合涂层，系统评估了其电化学与盐雾腐蚀性能。研究发现Zn-15Ta涂层表现出最优异的耐蚀性，腐蚀电位达?1.039 Vsce ，腐蚀电流密度低至1.627×10?4 A/cm2 ，其Ta钉扎效应可抑制腐蚀产物剥落，为极端环境下的金属防护提供了创新解决方案。

　　

金属腐蚀是工程材料失效的主要形式之一，每年造成全球数千亿美元的经济损失。在众多防护手段中，锌(Zn)涂层因其自修复特性和成本优势被广泛应用，但其高电化学反应活性导致防护寿命有限；而钽(Ta)虽具有极强耐蚀性，却因高昂价格难以大规模使用。如何通过材料复合实现性能与成本的平衡，成为腐蚀防护领域的关键挑战。

中国科学院的研究团队创新性地将Ta引入Zn涂层体系，采用冷气动力喷涂技术(Cold Gas Dynamic Spraying, CGDS)成功制备了Zn-xTa复合涂层。这项发表在《Surface and Coatings Technology》的研究，通过电化学测试和144小时盐雾实验证明，含15wt%Ta的复合涂层展现出突破性性能：腐蚀电位正向偏移至?1.039 V_sce
，厚度损失比纯Zn涂层减少100μm以上。其核心机制在于Ta颗粒能有效钉扎Zn的腐蚀产物(如Zn₅
(OH)₈
Cl₂
·H₂
O)，阻止保护层剥落，从而延长基材防护周期。

研究采用三大关键技术：机械球混法制备Zn-Ta混合粉末（Ta含量8/15wt%）、优化参数的CGDS沉积（2.5MPa/290°C）、结合电化学工作站与ISO标准盐雾箱的腐蚀评估体系。实验选用Q235低碳钢为基材，通过SEM/EDS分析涂层形貌与元素分布。

【Coating microstructure】
截面形貌显示Zn-15Ta涂层厚度达170μm且Ta分布均匀，孔隙率低于纯Zn涂层。显微硬度测试表明Ta的添加使涂层硬度显著提升，这归因于Ta颗粒的弥散强化效应。

【Electrochemical corrosion behavior】
动电位极化曲线揭示Zn-15Ta的腐蚀电流密度较纯Zn降低一个数量级，Ta₂
O₅
钝化膜的形成有效阻滞了Cl^-
侵蚀。电化学阻抗谱(EIS)显示其电荷转移电阻提高3倍，证实Ta增强了涂层界面稳定性。

【Salt spray corrosion behavior】
144小时盐雾实验后，Zn-15Ta表面形成致密的碱式氯化锌层，而纯Zn涂层出现大面积剥落。能谱分析显示Ta元素在腐蚀前沿富集，验证了其钉扎腐蚀产物的独特作用机制。

【Conclusion】
该研究开创性地证明：通过CGDS技术将15wt%Ta引入Zn涂层，可协同发挥Zn的牺牲阳极保护与Ta的钝化膜优势。Ta的钉扎效应能稳定腐蚀产物层，使涂层寿命提升200%以上，为海洋工程装备的长效防护提供了新材料范式。研究团队特别指出，该技术路线在镁合金防护、核电设备等极端环境应用前景广阔，未来可通过调控Ta粒径分布进一步优化成本效益比。