腐蚀类表面工程技术在海洋工程装备中的应用

2023-05-06 16:35:50 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

21世纪是海洋的世纪，争夺世界海洋权益及深海资源是本世纪世界海洋强国与临海国家的一项重要战略行动。但海洋环境非常苛刻，在ISO 12944给出的典型腐蚀环境分类中，海洋环境是腐蚀等级最高的腐蚀环境。

表面工程技术是提高材料表面性能的重要方法，它能够在不破坏材料自身性能的前提下，对材料表面性能进行强化或再生，使材料或部件表面具备耐磨、耐蚀、抗氧化、耐热、绝缘、密封和隔热等性能中的一种或几种。因此，表面工程技术已成为实现海洋工程装备材料最终性能的重要手段。

大型钢铁结构件的防护

长期暴露在海洋环境中的大型钢铁构件，如钢结构桥、海上钻井平台、舰船的钢结构等会受到不同程度的腐蚀和侵蚀。由于锌、铝、锌－铝涂层的电极电位均负于钢铁，故对钢铁结构能起到阴极保护作用。热喷涂此类涂层作为钢铁构件的防护始于20世纪20年代。目前，已在水工闸门、船体、海洋平台钢结构、码头钢管桩、桥塔、钢箱梁等结构中应用。根据实际工程情况，通常将锌、铝或锌－铝防护层与封孔防锈层和防老化面漆层结合，形成多层防护体系，目前已获得较好的防护效果。图1所示为铝基涂层封孔前后电化学腐蚀形貌。

图1 铝基涂层封孔前后电化学腐蚀形貌：ａ,ｂ.封孔涂层；ｃ,ｄ.未封孔涂层

关键部件的表面强化

海洋工程装备关键部件，如柴油机气缸套、曲轴、艉轴（尾轴）、船舶液压系统、钻井泵等，服役于腐蚀、高磨损、高温、高压等环境条件下，为了满足这类部件的服役需求，必须要对其进行表面强化处理，增强其耐磨、耐蚀性能。

先进热喷涂技术

电镀硬铬是海洋工程装备关键部件传统的表面强化技术之一。但是会释放大量Cr⁶⁺，造成严重的环境污染；另一方面电镀硬铬涂层存在氢脆和裂纹风险，工作温度较低难以满足现代机械高温、高速、高腐蚀环境的工作要求。

热喷涂技术是一种环境友好、高效、可在基体上沉积金属、陶瓷、金属陶瓷等涂层的现代表面强化技术。基于超音速火焰喷涂（HVOF）技术制备的碳化物金属陶瓷涂层，如NiCr-Cr3C2（如图2所示）和WC-Co具有优良的耐磨耐蚀性能。通过在300M超强钢基体上制备了WC-17Co和WC-10Co4Cr涂层。NaCl溶液中的电化学测试表明，WC-10Co4Cr涂层处理后的基体，其自腐蚀电位得到大幅度升高。400小时的盐雾腐蚀试验结果表明，两种涂层都提高了300M钢基体的抗盐雾腐蚀性能。研究表明，含有小尺寸碳化物颗粒的细粉制备相，提高了粘结相的自腐蚀电位，延缓了腐蚀介质向基体的扩散，因此表现出更好的抗盐雾腐蚀性能。

图2 NiCr-Cr3C2热喷涂层的截面形貌

先进薄膜涂层技术

以TiC、TiN、CrN、DLC为代表的碳化物基、氮化物基或金刚石类陶瓷薄膜具有高硬度、低摩擦磨损及优良的抗腐蚀等性能，大量用于石油、天然气工业中的关键部件，如心轴、抽油泵泵筒、传动轴等。薄膜涂层的制备主要是气相沉积的方法，包括物理气相沉积和化学气相沉积。

为了满足不断提高的实际应用需求，人们尝试通过添加第三元素实现TiN涂层的合金化，或者通过制备多层膜来提高薄膜层的综合性能，并取得了较好的效果。通过在二元合金TiN中添加Al，大大提高了薄膜的硬度，可达到3000 HV0.05，显著减少磨损。氧化试验证明(Ti, Al)N较TiN有较好的耐剥落性，从而显示出较好的耐磨性能。与TiN比较，(Ti, Al)N可得到较细的晶粒组织，减弱柱状生长，从而可改善其耐电化学腐蚀性能。图3所示为涂层表面的显微组织。

图3 涂层表面的显微组织

激光表面处理

激光表面处理是采用大功率密度的激光束，对金属进行表面处理，在材料表面形成一定厚度的处理层，从而改变材料表面的结构，获得理想的性能。激光表面处理可以显著提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性等一系列性能，从而延长产品的使用寿命和降低成本。激光表面强化技术主要可分为激光淬火、激光冲击硬化、激光熔敷等。

激光表面技术较为适用于钢铁材料和铸铁材料。其中，激光淬火可用于海洋工程装备轴承圈、阀座、曲轴活塞环、齿轮等部件的表面强化；激光冲击硬化可用来强化精加工工件的曲面，如齿轮、轴承的表面；激光熔敷可用于液压立柱、发动机涡轮叶片、灰铸铁阀座等部件。图4所示为激光熔覆示意图。

图4 激光熔覆示意图：a) 同轴送粉；b) 预置铺粉

等离子碳氮共渗+离子氧化

复合处理技术

钻井平台的桩腿升降装置的齿轮和齿条、定位销，起重机的臂销、缸销、普通销、销轴等部件发生腐蚀、磨损后极易导致部件锈死，使用寿命缩短，造成严重的危害。通常采取如表面淬火、氮碳共渗结合发黑、磷化、电镀等防锈处理，或盐浴氮化后抛光再进行氧化的表面处理工艺（简称QPQ盐浴复合处理）来提高其耐磨、耐蚀性能。但是这些方法都存在环境污染问题，难以得到广泛应用。

目前离子氮碳共渗+氧化复合处理技术（国外称其为PLASOX技术或IONITOX技术），不仅较好地解决了环境污染的问题，同时还具有处理周期短、能源消耗低、设备成本比较低的特点。图5所示为等离子碳氮共渗截面显微组织扫描结果。

图5 等离子碳氮共渗截面显微组织扫描结果

电偶腐蚀防护涂层

电偶腐蚀是指异种金属在同一电解质中相互接触时，由于腐蚀电位不相等，存在电偶电流，使电位较低的金属溶解速度增加，电位较高的金属溶解速度减小的现象。海水是一种强电解质，很容易和不同材料构成回路而导致电偶腐蚀的发生，进而诱导甚至加速应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、氢脆等情况的发生。

海洋工程中的电偶腐蚀防护涂层是从电绝缘隔离的角度提出的防护措施。对于承载载荷和/或有相对运动的关键部件，如天然气管道弯头和连接部位、海底电缆接头，海上风力发电的电子元器件连接部位、海底电缆接头，海上风力发电的电子元器件、电路接口、潜艇进气口部件等则要求兼具绝缘、耐磨和防腐性能的涂层。采用热喷涂技术喷涂绝缘陶瓷涂层能够实现这一目的。图6所示为金属材料电偶腐蚀原理示意图。

图6 金属材料电偶腐蚀原理示意图

关键部件的再制造

再制造是以装备全寿命周期理论为指导，以实现废旧装备性能提升为目标，对废旧装备采用一系列技术措施后使之性能达到或高于原装备新品性能的工程活动。

海洋工程关键件再制造的目的是恢复尺寸、恢复功能（耐磨、耐热、耐蚀、抗冲击、减摩等功能），使再制造的部件恢复或提高性能，延长使用寿命。近年来，热喷涂、纳米颗粒复合电刷镀、离子注入、激光熔覆、等离子熔覆技术及纳米胶表面粘结技术等新工艺已应用于再制造领域，并取得了良好的效果。如采用热喷涂技术修复大型船用柴油机汽缸套、排气阀、曲轴等部件、石油化工领域的球阀、柱塞等，利用纳米颗粒复合电刷镀技术对汽车发动机的曲轴、凸轮轴、连杆，进口飞机发动机压气机叶片进行再制造；采用激光熔覆技术对轴类、齿类及发动机铸铁缸盖的再制造。图7所示为油缸内壁粉末激光熔覆。