CN104076079A

CN104076079A - 一种多层涂层体系临界腐蚀损伤的快速评价方法

Info

Publication number: CN104076079A
Application number: CN201310061870.5A
Authority: CN
Inventors: 舒畅; 苏艳
Original assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Current assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-01

Abstract

本发明针对现役多层涂层体系或进行自然环境试验的多层涂层体系试样，根据多层涂层体系第一层涂层腐蚀损伤程度直接影响着涂层体系防护性能的特点，建立了基于宏观形貌特征和电化学特征的涂层临界腐蚀损伤值的快速评价方法。本发明通过目视检测多层涂层体系的宏观形貌特征，测试老化失效或损伤严重部位的电化学阻抗谱，根据多层涂层体系的制备方式以及厚度较大的特点，建立一种多层涂层体系物理模型和一种电化学阻抗谱CM等效电路模型，利用电化学特征分析***分析获得多层涂层体系每一层涂层的电容及电阻，根据第一层涂层的阻抗值快速评价多层涂层体系的临界腐蚀损伤值，方法简单，数据可靠，评价结果准确、实用。

Description

一种多层涂层体系临界腐蚀损伤的快速评价方法

技术领域

本发明涉及一种多层涂层体系临界腐蚀损伤的快速评价方法，特别涉及一种基于宏观形貌特征和电化学特征的能快速对多层涂层体系的临界腐蚀损伤进行评价的方法。

背景技术

目前，涂层保护金属材料防腐已广泛应用于各个行业，特别对于防腐要求高的行业和产品，已应用多层涂层体系，以提高涂层体系的屏蔽作用，达到控制基体腐蚀、提高产品使用寿命的目的。然而，多层涂层体系长期暴露在自然气候条件下，会受到太阳辐射、温度、湿度和腐蚀介质等环境因素的综合作用而老化失效，最终导致金属基体材料的腐蚀破坏。因此，掌握多层涂层体系的服役状况，准确评价其临界腐蚀损伤程度，有利于进行及时的维护、修补等操作，对确保设备、装备安全可靠运行、提高设备装备抗环境腐蚀能力，减少维护费用具有重要意义。

多层涂层体系一般由转化层、底漆和面漆组成，具有厚度大、高耐候性的特点。在多层涂层体系服役过程中，按照GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂层老化的评级方法》的相关规定只能评价其表观形貌的变化情况，无法进一步获得涂层体系临界腐蚀损伤值，特别是对于涂层粉化5级但仍具有良好的防腐蚀性能、涂层表观完好但基体金属已腐蚀的情况，按GB/T 1766-2008的相关规定则无法准确评价涂层体系的防护性能。

电化学交流阻抗（EIS）方法通过研究体系对小振幅正弦交流信号的响应信号，得到涂层体系表面电阻、电容和感抗等信息，进而获得涂层完整性、缺陷、失效等信息，具有对被测体系扰动小、获得信息丰富的特点，已成为研究涂层性能和破坏过程的主要技术。目前，采用EIS法研究涂层体系防护性能时，通常将涂层体系长期浸泡在电解液中研究涂层的失效机理，这与涂层实际服役环境有很大差异，利用实验室浸泡试验的结果无法准确评价涂层体系在实际服役环境的临界腐蚀损伤值。特别对于耐候性好的多层涂层体系，底漆层具有良好的抗浸蚀性能，但耐光老化性能较差，多层涂层体系在实验室内浸泡100天仍具有良好的防护性能，然而在实际服役环境下，多层涂层体系的面漆层一旦破坏，底漆层受太阳辐射作用很快粉化，失去对基体金属的保护作用，在这种情况下，利用实验室浸泡试验将得出与实际服役环境相反的评价结果。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有涂层老化失效评价方法的不足而提供一种基于宏观形貌特征和电化学特征的能快速对多层涂层体系的临界腐蚀损伤进行评价的方法。该评价方法是针对现役多层涂层体系或进行自然环境试验的多层涂层体系试样，通过涂层宏观形貌特征和涂层电化学特征表征其防护性能的下降，评价多层涂层体系的临界腐蚀损伤程度。

本发明采用的技术方案是：涂层电化学特征评价***，包括三电极体系、阻抗测试仪、电脑，所述电脑中装有涂层电化学特征分析***。

所述电化学分析***能实现对多层涂层体系电化学特征的分析功能。

目视检测待评价多层涂层体系的宏观形貌特征，将多层涂层体系老化失效或损伤严重（例如粉化严重、起泡、开裂、剥落）部位作为电化学的测试部位，固定测试容器，将测试部位在3.5%的NaCl溶液中浸泡20min，然后利用三电极体系、阻抗测试仪和电脑测试该多层涂层体系在3.5% NaCl溶液中的EIS数据，录入涂层电化学特征分析***中。

本发明根据待评价多层涂层体系的制备方式以及多层涂层体系厚度较大的特点，建立了一种多层涂层体系物理模型和一种电化学阻抗谱CM等效电路模型，获得多层涂层体系每一层涂层的电容及电阻。根据电化学交流阻抗谱测试原理，涂层电容越小，电阻越大，腐蚀介质破坏基体金属的阻力越大，涂层的防护性能就越好。对于多层涂层体系，每层涂层各自的电容和电阻对涂层体系总电容和总电阻均有贡献。在实际服役过程中，第二层涂层（面漆层）老化失效或损伤后，第一层涂层（底漆层）仍可阻挡腐蚀介质，只有第一层涂层腐蚀损伤，整个涂层体系才失去对基体的防护能力，即多层涂层体系第一层涂层的腐蚀损伤程度直接影响着涂层体系的防护性能。因此，根据第一层涂层的阻抗值可快速评价多层涂层体系的临界腐蚀损伤值。如第一层涂层阻抗值下降至10⁶Ω/cm²，认为第一层涂层失去对腐蚀介质的屏蔽能力，多层涂层体系失去防护性能，评定服役时间或试验时间为多层涂层体系的临界腐蚀损伤值。

作为进一步的优选方案，在对多层涂层体系临界腐蚀损伤值进行快速评价的基础上，根据每一层涂层体系电容电阻和涂层剩余厚度，可预测涂层体系的剩余寿命。

本发明的技术效果在于，建立了一种多层涂层体系物理模型和一种电化学阻抗谱CM等效电路模型，计算出多层涂层体系中每一层涂层的电容和电阻，根据第一层涂层的阻抗值快速评价多层涂层体系的临界腐蚀损伤值，技术方案简单、实用。

本发明的另一项技术效果在于，在对多层涂层体系临界腐蚀损伤值进行快速评价的基础上可根据涂层厚度预测涂层体系的剩余寿命。

附图说明

图1是本发明建立的一种多层涂层体系物理模型示意图。

图2 是本发明建立的一种多层涂层体系电化学阻抗谱CM等效电路模型。

具体实施方式

本发明的具体实施方式是：

步骤一：目视检测待评价多层涂层体系的宏观形貌特征，初步判断多层涂层体系的老化失效程度，用测厚仪测试多层涂层体系的剩余厚度。

步骤二：选择多层涂层体系老化失效或损伤严重（例如粉化严重、起泡、开裂、剥落）部位作为电化学的测试部位，固定测试容器，将测试部位在3.5%的NaCl溶液中浸泡20min，使多层涂层体系表面充分湿润，如多层涂层体系已达临界腐蚀损伤状态，则腐蚀溶液很快浸入金属基体，反之，则腐蚀溶液在入侵过程中受阻，无法浸蚀金属基体，达到原位无损检测的目的。

步骤三：利用三电极体系（铂电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极）、阻抗测试仪和电脑测试待评价多层涂层体系在3.5% NaCl溶液中的EIS数据，录入涂层电化学特征分析***。

步骤四：多层涂层体系一般由转化层、底漆和面漆组成。为了保证涂层与基体金属之间的结合力，一般在制备多层涂层体系时，基体金属进行阳极化表面处理24h内喷涂底漆，底漆表干后喷涂面漆。根据多层涂层体系的制备方式，本发明建立了一种多层涂层体系物理模型，如图1所示。

步骤五：根据多层涂层体系厚度大的特点，把涂层按制备工序分成n个薄层，每层都有各自的电容C(x)和电阻R(x)，且对总电容和总电阻均有贡献，本发明根据这个思想建立了一种电化学阻抗谱CM等效电路模型，如图2所示，所述CM等效电路为各层RC并联电路的串联。

步骤六：利用涂层电化学特征分析***，按照上述电化学阻抗谱CM等效电路模型，分析测试所得电化学数据，获得多层涂层体系每一层涂层的电容及电阻。

步骤七：根据电化学交流阻抗谱测试原理，涂层电容越小，电阻越大，腐蚀介质破坏基体金属的阻力越大，涂层的防护性能就越好。对于多层涂层体系，每层涂层各自的电容和电阻对涂层体系总电容和总电阻均有贡献。在实际服役过程中，多层涂层体系第二层涂层（即面漆层）老化失效或损伤后，第一层涂层（即底漆层）仍可阻挡腐蚀介质，只有第一层涂层腐蚀损伤，整个涂层体系才失去对基体的防护能力，即多层涂层体系第一层涂层的腐蚀损伤程度直接影响着涂层体系的防护性能。因此，根据第一层涂层的阻抗值可快速评价多层涂层体系的临界腐蚀损伤值。如第一层涂层阻抗值下降至10⁶Ω/cm²，认为第一层涂层失去对腐蚀介质的屏蔽能力，多层涂层体系失去防护性能，评定服役时间或试验时间为多层涂层体系的临界腐蚀损伤值。

步骤八：在对多层涂层体系临界腐蚀损伤值进行快速评价的基础上，根据每一层涂层体系电容电阻和涂层剩余厚度，可预测涂层体系的剩余寿命。

以下是具体的多层涂层体系临界腐蚀损伤值评价的运用实例：

实例1：硫酸阳极化+2层TB06-9涂层

基材金属：2D12铝合金

涂装方式：喷涂

涂层厚度：第一层TB06-9涂层 15μm ~30μm

第二层TB06-9涂层 15μm ~30μm

涂层总厚度：30μm ~60μm

原始涂层实测厚度：43μm ~52μm

试验环境：海洋大气环境

试验方式：平台户外大气暴露

试验时间：2年

本实例中多层涂层体系由硫酸阳极氧化层、2层TB06-9涂层组成，用图2所示的 CM等效电路模型分析测试所得电化学数据，各涂层或转化层的电容及阻抗值如表1所示，3个测试部位的第一层涂层阻抗值（R₁）均下降至10⁶Ω/cm²。评价结果：多层涂层体系已失去屏蔽作用，海洋大气环境下暴露2年为该多层涂层体系的临界腐蚀损伤值。

表1 “硫酸阳极化+2层TB06-9涂层体系”试验两年后EIS数据等效电路的参数

实例2：硫酸阳极化+ TB06-9+TS96-71涂层

涂层基材：2D12铝合金

涂装方式：喷涂

涂层厚度： TB06-9涂层 15μm ~30μm

TS96-71涂层 40μm ~70μm

涂层总厚度：55μm~100μm

原始涂层实测厚度：80μm~90μm

试验环境：海洋大气环境

试验方式：平台户外大气暴露

试验时间：2年

本实例中多层涂层体系由硫酸阳极氧化层、TB06-9涂层、TS96-71涂层组成，用图2所示的 CM等效电路模型分析测试所得电化学数据，各涂层或转化层的电容及阻抗值如表2所示，3个测试部位中第2、3个测试部位的第二层涂层阻抗值（R₂）下降幅度较大，小于10⁶Ω/cm²，该多层涂层体系3个测试部位的第一层涂层阻抗值（R₁）均远远大于10⁶Ω/cm²，虽然经2年海洋平台户外大气暴露涂层粉化达5级，涂层减薄约3μm~6μm，评价结果：涂层体系仍具有良好的保护性能，未达到临界腐蚀损伤值。

表2 “硫酸阳极化+ TB06-9+TS96-71涂层体系”试验两年后EIS数据等效电路的参数

“硫酸阳极化+ TB06-9+TS96-71涂层体系”经两年海洋平台户外大气暴露，第二层涂层局部老化失效，但第一层涂层仍具有良好的防护性能，多层涂层体系剩余厚度为75μm ~84μm。根据实例1，两层TB06-9涂层（约50μm）的临界腐蚀损伤值为在海洋大气环境下暴露2年，预测“硫酸阳极化+ TB06-9+TS96-71涂层体系”的剩余寿命为2年~3年。2011年7月，对该涂层体系相同部位再次进行EIS测试，用图2所示的 CM等效电路模型分析测试所得电化学数据，涂层体系的第一层涂层阻抗值（R₁）为10⁷Ω/cm²，涂层阻抗值已接近10⁶Ω/cm²，该多层涂层体系即将失去对基体金属的防护能力，这与预测的剩余寿命较为接近。

由于第一层涂层（底漆层）的耐光老化性能较差，受太阳辐射作用后很快粉化，在实际服役过程中，建议在发现第二层涂层失去防护能力而第一层涂层仍完好时，对涂层体系进行维护，提高多层涂层体系防护性能的可靠性。

Claims

1.一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：采用便携式电化学***采集现场涂层电化学信号，输入计算机，由预先装设的涂层电化学特征分析***给出评价结论，具体包括如下步骤：

（1）目视检测待评价多层涂层体系的宏观形貌特征，选择腐蚀严重部位测试EIS数据，和涂层厚度，输入计算机进行后续处理；

（2）利用计算机装设的涂层电化学特征分析***，分析测试所得电化学数据，获得多层涂层体系每一层涂层的电容及电阻；

（3）根据每一层涂层的电容及电阻评价多层涂层体系是否达到临界腐蚀损伤。

2.根据权利要求1所述的多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：所述涂层电化学特征分析***是基于一种多层涂层体系腐蚀介质渗透物理模型和一种电化学阻抗谱CM等效电路模型构建的。

3.根据权利要求2所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：所述多层涂层体系腐蚀介质渗透物理模型是基于涂层的多孔性质，通过分析电解质渗入多层涂层体系的过程以及多层涂层体系破坏机制，结合多层涂层体系制备方式建立的，反映了涂层的结构、以及涂层与界面的结构的变化。

4.根据权利要求2所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：所述电化学阻抗谱CM等效电路模型是由每一层涂层体系的电阻电容并联后再串联组成，表现形式为为R((R₀C₀)((R₁C₁)…(R_nC_n))，其分层层数应与多层涂层体系物理模型一致。

5.根据权利要求1~4所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：通过涂层电化学特征分析***，获得多层涂层体系每一层涂层的电容及电阻。

6.根据权利要求1~5所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：建立了基于每一层涂层的电容及电阻评价多层涂层体系是否达到临界腐蚀损伤的方法，确定了评价多层涂层体系达到临界腐蚀损伤的涂层电阻临界值。

7.根据权利要求1~6所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：建立多层涂层体系每一层涂层体系电容电阻、总电阻与涂层厚度之间的变化趋势曲线。

8.根据权利要求1~7所述的一种多层涂层体系临界腐蚀损伤快速评价方法，其特征在于：在对多层涂层体系临界腐蚀损伤值进行快速评价的基础上，根据所述变化趋势曲线和涂层剩余厚度，可预测涂层体系的剩余寿命。