长期浸泡过程中Al-5Mg和Zn热喷涂覆涂体系的界面退化

《Applied Surface Science》：Interfacial degradation of Al-5Mg and Zn thermal-spray recoating systems during long-term immersion

　　

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  残余锈损害铝镁合金（Al-5Mg）和锌（Zn）热喷涂重涂系统。
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  残余锈通过不同的退化机制影响这两种涂层。
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  在以屏障为主的Al-5Mg中，锈使腐蚀产物不稳定，导致裂纹。
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  在Zn中，锈加速牺牲消耗而不改变路径。
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  表面制备和涂层化学共同决定界面稳定性。

引言

腐蚀是钢结构退化和缩短使用寿命的主要因素之一，它不仅降低结构承载能力，还会导致巨大的维护和更换成本 [1], [2]。为减缓钢材腐蚀，防护涂层因其易施性和相对较低的成本而被广泛采用 [3]。然而，在长期服役条件下，传统涂层系统持续受到温度、湿度、紫外线辐射、盐污染和氧气供应等环境因素的影响，逐渐发生老化、粉化、开裂和附着力丧失，导致防护性能下降 [4], [5], [6]。对于桥梁等大型钢结构，维护重涂已成为延长使用寿命和降低全生命周期成本的重要策略 [7]。热喷涂涂层兼具物理屏障保护和电化学牺牲保护功能，被认为是钢结构长期防腐的关键技术之一 [8], [9], [10], [11], [12]。先前的研究表明，锌和铝基热喷涂涂层在海洋和沿海大气环境中表现出优异的长期防护性能，经过多年暴露后仍能有效地保护钢基材 [13]。因此，热喷涂不仅应用于新建钢结构的长期防腐，还用于现有腐蚀钢结构的修复、维护和增强 [14], [15]。

与直接在新制钢结构上喷涂不同，对现有腐蚀钢表面进行重涂通常需要进行表面制备。表面制备的质量往往决定界面状态，从而影响涂层附着力 [16]、防腐性能和耐久性 [17]。然而，在结构狭窄或严重腐蚀的区域，表面制备过程中往往难以完全去除腐蚀产物。先前的研究表明，钢材上的腐蚀产物会降低铝及其合金的耐腐蚀性 [18], [19], [20]。例如，锈中的γ-FeOOH会抑制铝的钝化，导致形成不均匀、粗糙且缺陷丰富的表面膜，其保护能力降低 [18]。

锈是一种异质、粗糙且缺陷丰富的氧化层，可以加速阴极还原反应 [19]。先前的研究主要关注表面制备对涂层附着力的影响 [21], [22]。然而，在重涂系统中，残余锈仍被困在钢基材和热喷涂层之间。此外，这些区域可长时间局部滞留水分和电解质，使得持续界面润湿和离子积聚更为可能，从而为后续腐蚀扩展和界面退化创造潜在起始点。

评估防腐系统耐久性的常用方法包括自然大气暴露、电解质浸泡、循环盐雾和干湿循环试验 [23]。尽管自然大气暴露最能反映实际服役条件，但其耗时且涉及复杂的环境变量，难以在受控条件下分析界面腐蚀机制 [24], [25]。干湿循环和循环盐雾试验可以加速退化，但其周期性润湿和干燥过程会显著影响锈层结构、盐浓度和氧气传输条件 [26], [27]，导致腐蚀演化与持续湿润条件下的情况不同 [28]。相比之下，长期浸泡可提供稳定的电解质供应，因此更适合持续跟踪界面传输、腐蚀产物演化和界面退化 [29], [30], [31]。这可以更清晰地识别残余锈在热喷涂重涂系统长期耐久性中的控制作用。

此外，不同的热喷涂材料表现出根本不同的保护机制，其中腐蚀产物的形成和重构是不可或缺的组成部分 [32]。这表明残余锈的影响可能不仅表现为更严重的退化程度，还可能导致腐蚀演化路径的分化。一般而言，铝基热喷涂涂层在服役过程中倾向于通过氧化铝和氢氧化物的孔隙和缺陷封堵作用逐渐形成稳定的屏障结构，从而抑制电解质和腐蚀离子的进一步渗透 [15], [33], [34], [35]。相比之下，锌基热喷涂涂层提供屏障保护和牺牲阳极保护双重功能，后者通常起主导作用 [36], [37], [38]。然而，在存在残余锈的情况下，界面传输条件、局部电化学活化和腐蚀产物演化均可能发生改变，导致铝基和锌基喷涂涂层表现出不同的敏感性和退化模式。阐明这一差异对于腐蚀钢结构的维护中合理选择喷涂材料具有重要意义。

本研究通过AWT或CWB制备大气腐蚀钢基材，随后进行Al-5Mg和Zn热喷涂重涂。采用长期浸泡结合电化学测量和微观结构表征，跟踪不同界面状态下重涂系统的电化学响应、界面传输和腐蚀产物演化。研究旨在阐明残余锈在界面腐蚀演化和耐久性退化中的作用，并比较其对具有不同保护机制的热喷涂涂层的影响。这些发现为腐蚀钢结构热喷涂重涂系统的界面耐久性提供了机制层面的见解，并为表面制备和材料选择提供了指导。

章节摘要

材料

本研究所用的钢基材为SM490A结构钢板（150×70×6毫米），符合日本工业标准（JIS）G3106。钢材化学成分见表1。选择锌（Zn）和铝镁合金（Al-5Mg）两种线材用于热喷涂工艺。线材符合JIS H8300标准，其化学成分见表2。

试样制备

为获得代表性腐蚀状态，SM490A钢板暴露于自然大气中

基材形貌和重涂表面演化

图4显示了经过AWT和CWB后的腐蚀钢基材表面形貌。AWT制备的表面表现出均匀粗糙化的形貌，具有密集的规则凸起点，未观察到残余锈，表明腐蚀产物已被完全去除，暴露出新鲜的高纹理钢表面。其线轮廓显示频繁的尖锐高度波动，具有明显的波峰和波谷，表明有利于机械互锁

Al-5Mg重涂系统退化

Al-5Mg重涂系统的界面退化不仅受热喷涂层本身的影响，更基本地受基材-涂层界面状态的制约。残余锈恶化了初始电化学性能，并进一步影响后续的界面腐蚀演化和耐久性退化路径。对喷涂截面进行的定量图像分析表明，这种影响已经在该阶段发挥作用

结论

本研究系统地阐明了残余锈对Al-5Mg和Zn热喷涂重涂系统在长期浸泡过程中界面退化的影响。基于电化学响应和微观结构表征，主要结论如下：

• 1.
  热喷涂重涂系统的耐久性不仅由喷涂涂层本身决定，更基本地由基材-涂层界面状态决定。残余锈不仅降低了

CRediT作者贡献声明

刘燕琪：撰写初稿、可视化、方法论、调查研究、形式化分析、数据整理、概念构思。唐建：撰写审阅与编辑、可视化、验证、方法论、调查研究、获取资金、概念构思。神沼茂登：撰写审阅与编辑、监督、获取资金、概念构思。兰鑫：调查研究、数据整理。Aran Kim：撰写审阅与编辑、获取资金。刘伟辰：数据整理。木屋晓美

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到日本学术振兴会（JSPS）KAKENHI资助，项目编号26K01036、26K17452和26K17454。作者衷心感谢IKEDA KOGYO CO., LTD.提供的技术支持和富有建设性的意见。作者还要感谢T. Ikeda先生在测试试样制备方面的协助。

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