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腐蝕類(lèi)表面工程技術(shù)在海洋工程裝備中的應(yīng)用

2023-05-06 16:35:50 作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，爭(zhēng)奪世界海洋權(quán)益及深海資源是本世紀(jì)世界海洋強(qiáng)國(guó)與臨海國(guó)家的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略行動(dòng)。但海洋環(huán)境非常苛刻，在ISO 12944給出的典型腐蝕環(huán)境分類(lèi)中，海洋環(huán)境是腐蝕等級(jí)最高的腐蝕環(huán)境。

表面工程技術(shù)是提高材料表面性能的重要方法，它能夠在不破壞材料自身性能的前提下，對(duì)材料表面性能進(jìn)行強(qiáng)化或再生，使材料或部件表面具備耐磨、耐蝕、抗氧化、耐熱、絕緣、密封和隔熱等性能中的一種或幾種。因此，表面工程技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備材料最終性能的重要手段。

大型鋼鐵結(jié)構(gòu)件的防護(hù)

長(zhǎng)期暴露在海洋環(huán)境中的大型鋼鐵構(gòu)件，如鋼結(jié)構(gòu)橋、海上鉆井平臺(tái)、艦船的鋼結(jié)構(gòu)等會(huì)受到不同程度的腐蝕和侵蝕。由于鋅、鋁、鋅－鋁涂層的電極電位均負(fù)于鋼鐵，故對(duì)鋼鐵結(jié)構(gòu)能起到陰極保護(hù)作用。熱噴涂此類(lèi)涂層作為鋼鐵構(gòu)件的防護(hù)始于20世紀(jì)20年代。目前，已在水工閘門(mén)、船體、海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)、碼頭鋼管樁、橋塔、鋼箱梁等結(jié)構(gòu)中應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際工程情況，通常將鋅、鋁或鋅－鋁防護(hù)層與封孔防銹層和防老化面漆層結(jié)合，形成多層防護(hù)體系，目前已獲得較好的防護(hù)效果。圖1所示為鋁基涂層封孔前后電化學(xué)腐蝕形貌。

圖1 鋁基涂層封孔前后電化學(xué)腐蝕形貌：ａ,ｂ.封孔涂層；ｃ,ｄ.未封孔涂層

關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化

海洋工程裝備關(guān)鍵部件，如柴油機(jī)氣缸套、曲軸、艉軸（尾軸）、船舶液壓系統(tǒng)、鉆井泵等，服役于腐蝕、高磨損、高溫、高壓等環(huán)境條件下，為了滿足這類(lèi)部件的服役需求，必須要對(duì)其進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，增強(qiáng)其耐磨、耐蝕性能。

先進(jìn)熱噴涂技術(shù)

電鍍硬鉻是海洋工程裝備關(guān)鍵部件傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)之一。但是會(huì)釋放大量Cr⁶⁺，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染；另一方面電鍍硬鉻涂層存在氫脆和裂紋風(fēng)險(xiǎn)，工作溫度較低難以滿足現(xiàn)代機(jī)械高溫、高速、高腐蝕環(huán)境的工作要求。

熱噴涂技術(shù)是一種環(huán)境友好、高效、可在基體上沉積金屬、陶瓷、金屬陶瓷等涂層的現(xiàn)代表面強(qiáng)化技術(shù)。基于超音速火焰噴涂（HVOF）技術(shù)制備的碳化物金屬陶瓷涂層，如NiCr-Cr3C2（如圖2所示）和WC-Co具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。通過(guò)在300M超強(qiáng)鋼基體上制備了WC-17Co和WC-10Co4Cr涂層。NaCl溶液中的電化學(xué)測(cè)試表明，WC-10Co4Cr涂層處理后的基體，其自腐蝕電位得到大幅度升高。400小時(shí)的鹽霧腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種涂層都提高了300M鋼基體的抗鹽霧腐蝕性能。研究表明，含有小尺寸碳化物顆粒的細(xì)粉制備相，提高了粘結(jié)相的自腐蝕電位，延緩了腐蝕介質(zhì)向基體的擴(kuò)散，因此表現(xiàn)出更好的抗鹽霧腐蝕性能。

圖2 NiCr-Cr3C2熱噴涂層的截面形貌

先進(jìn)薄膜涂層技術(shù)

以TiC、TiN、CrN、DLC為代表的碳化物基、氮化物基或金剛石類(lèi)陶瓷薄膜具有高硬度、低摩擦磨損及優(yōu)良的抗腐蝕等性能，大量用于石油、天然氣工業(yè)中的關(guān)鍵部件，如心軸、抽油泵泵筒、傳動(dòng)軸等。薄膜涂層的制備主要是氣相沉積的方法，包括物理氣相沉積和化學(xué)氣相沉積。

為了滿足不斷提高的實(shí)際應(yīng)用需求，人們嘗試通過(guò)添加第三元素實(shí)現(xiàn)TiN涂層的合金化，或者通過(guò)制備多層膜來(lái)提高薄膜層的綜合性能，并取得了較好的效果。通過(guò)在二元合金TiN中添加Al，大大提高了薄膜的硬度，可達(dá)到3000 HV0.05，顯著減少磨損。氧化試驗(yàn)證明(Ti, Al)N較TiN有較好的耐剝落性，從而顯示出較好的耐磨性能。與TiN比較，(Ti, Al)N可得到較細(xì)的晶粒組織，減弱柱狀生長(zhǎng)，從而可改善其耐電化學(xué)腐蝕性能。圖3所示為涂層表面的顯微組織。

圖3 涂層表面的顯微組織

激光表面處理

激光表面處理是采用大功率密度的激光束，對(duì)金屬進(jìn)行表面處理，在材料表面形成一定厚度的處理層，從而改變材料表面的結(jié)構(gòu)，獲得理想的性能。激光表面處理可以顯著提高材料的硬度、強(qiáng)度、耐磨性、耐蝕性等一系列性能，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命和降低成本。激光表面強(qiáng)化技術(shù)主要可分為激光淬火、激光沖擊硬化、激光熔敷等。

激光表面技術(shù)較為適用于鋼鐵材料和鑄鐵材料。其中，激光淬火可用于海洋工程裝備軸承圈、閥座、曲軸活塞環(huán)、齒輪等部件的表面強(qiáng)化；激光沖擊硬化可用來(lái)強(qiáng)化精加工工件的曲面，如齒輪、軸承的表面；激光熔敷可用于液壓立柱、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片、灰鑄鐵閥座等部件。圖4所示為激光熔覆示意圖。

圖4 激光熔覆示意圖：a) 同軸送粉；b) 預(yù)置鋪粉

等離子碳氮共滲+離子氧化

復(fù)合處理技術(shù)

鉆井平臺(tái)的樁腿升降裝置的齒輪和齒條、定位銷(xiāo)，起重機(jī)的臂銷(xiāo)、缸銷(xiāo)、普通銷(xiāo)、銷(xiāo)軸等部件發(fā)生腐蝕、磨損后極易導(dǎo)致部件銹死，使用壽命縮短，造成嚴(yán)重的危害。通常采取如表面淬火、氮碳共滲結(jié)合發(fā)黑、磷化、電鍍等防銹處理，或鹽浴氮化后拋光再進(jìn)行氧化的表面處理工藝（簡(jiǎn)稱(chēng)QPQ鹽浴復(fù)合處理）來(lái)提高其耐磨、耐蝕性能。但是這些方法都存在環(huán)境污染問(wèn)題，難以得到廣泛應(yīng)用。

目前離子氮碳共滲+氧化復(fù)合處理技術(shù)（國(guó)外稱(chēng)其為PLASOX技術(shù)或IONITOX技術(shù)），不僅較好地解決了環(huán)境污染的問(wèn)題，同時(shí)還具有處理周期短、能源消耗低、設(shè)備成本比較低的特點(diǎn)。圖5所示為等離子碳氮共滲截面顯微組織掃描結(jié)果。

圖5 等離子碳氮共滲截面顯微組織掃描結(jié)果

電偶腐蝕防護(hù)涂層

電偶腐蝕是指異種金屬在同一電解質(zhì)中相互接觸時(shí)，由于腐蝕電位不相等，存在電偶電流，使電位較低的金屬溶解速度增加，電位較高的金屬溶解速度減小的現(xiàn)象。海水是一種強(qiáng)電解質(zhì)，很容易和不同材料構(gòu)成回路而導(dǎo)致電偶腐蝕的發(fā)生，進(jìn)而誘導(dǎo)甚至加速應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、氫脆等情況的發(fā)生。

海洋工程中的電偶腐蝕防護(hù)涂層是從電絕緣隔離的角度提出的防護(hù)措施。對(duì)于承載載荷和/或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，如天然氣管道彎頭和連接部位、海底電纜接頭，海上風(fēng)力發(fā)電的電子元器件連接部位、海底電纜接頭，海上風(fēng)力發(fā)電的電子元器件、電路接口、潛艇進(jìn)氣口部件等則要求兼具絕緣、耐磨和防腐性能的涂層。采用熱噴涂技術(shù)噴涂絕緣陶瓷涂層能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的。圖6所示為金屬材料電偶腐蝕原理示意圖。

圖6 金屬材料電偶腐蝕原理示意圖

關(guān)鍵部件的再制造

再制造是以裝備全壽命周期理論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)廢舊裝備性能提升為目標(biāo)，對(duì)廢舊裝備采用一系列技術(shù)措施后使之性能達(dá)到或高于原裝備新品性能的工程活動(dòng)。

海洋工程關(guān)鍵件再制造的目的是恢復(fù)尺寸、恢復(fù)功能（耐磨、耐熱、耐蝕、抗沖擊、減摩等功能），使再制造的部件恢復(fù)或提高性能，延長(zhǎng)使用壽命。近年來(lái)，熱噴涂、納米顆粒復(fù)合電刷鍍、離子注入、激光熔覆、等離子熔覆技術(shù)及納米膠表面粘結(jié)技術(shù)等新工藝已應(yīng)用于再制造領(lǐng)域，并取得了良好的效果。如采用熱噴涂技術(shù)修復(fù)大型船用柴油機(jī)汽缸套、排氣閥、曲軸等部件、石油化工領(lǐng)域的球閥、柱塞等，利用納米顆粒復(fù)合電刷鍍技術(shù)對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、凸輪軸、連桿，進(jìn)口飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)葉片進(jìn)行再制造；采用激光熔覆技術(shù)對(duì)軸類(lèi)、齒類(lèi)及發(fā)動(dòng)機(jī)鑄鐵缸蓋的再制造。圖7所示為油缸內(nèi)壁粉末激光熔覆。