一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷的快速評價方法
【專利摘要】本發明針對現役多層涂層體系或進行自然環境試驗的多層涂層體系試樣，根據多層涂層體系第一層涂層腐蝕損傷程度直接影響著涂層體系防護性能的特點，建立了基于宏觀形貌特征和電化學特征的涂層臨界腐蝕損傷值的快速評價方法。本發明通過目視檢測多層涂層體系的宏觀形貌特征，測試老化失效或損傷嚴重部位的電化學阻抗譜，根據多層涂層體系的制備方式以及厚度較大的特點，建立一種多層涂層體系物理模型和一種電化學阻抗譜CM等效電路模型，利用電化學特征分析系統分析獲得多層涂層體系每一層涂層的電容及電阻，根據第一層涂層的阻抗值快速評價多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值，方法簡單，數據可靠，評價結果準確、實用。
【專利說明】一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷的快速評價方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷的快速評價方法，特別涉及一種基于宏觀形貌特征和電化學特征的能快速對多層涂層體系的臨界腐蝕損傷進行評價的方法。
【背景技術】
[0002]目前，涂層保護金屬材料防腐已廣泛應用于各個行業，特別對于防腐要求高的行業和產品，已應用多層涂層體系，以提高涂層體系的屏蔽作用，達到控制基體腐蝕、提高產品使用壽命的目的。然而，多層涂層體系長期暴露在自然氣候條件下，會受到太陽輻射、溫度、濕度和腐蝕介質等環境因素的綜合作用而老化失效，最終導致金屬基體材料的腐蝕破壞。因此，掌握多層涂層體系的服役狀況，準確評價其臨界腐蝕損傷程度，有利于進行及時的維護、修補等操作，對確保設備、裝備安全可靠運行、提高設備裝備抗環境腐蝕能力，減少維護費用具有重要意義。
[0003]多層涂層體系一般由轉化層、底漆和面漆組成，具有厚度大、高耐候性的特點。在多層涂層體系服役過程中，按照GB/T 1766-2008《色漆和清漆涂層老化的評級方法》的相關規定只能評價其表觀形貌的變化情況，無法進一步獲得涂層體系臨界腐蝕損傷值，特別是對于涂層粉化5級但仍具有良好的防腐蝕性能、涂層表觀完好但基體金屬已腐蝕的情況，按GB/T 1766-2008的相關規定則無法準確評價涂層體系的防護性能。
[0004]電化學交流阻抗(EIS)方法通過研究體系對小振幅正弦交流信號的響應信號，得到涂層體系表面電阻、電容和感抗等信息，進而獲得涂層完整性、缺陷、失效等信息，具有對被測體系擾動小、獲得信息豐富的特點，已成為研究涂層性能和破壞過程的主要技術。目前，采用EIS法研究涂層體系防護性能時，通常將涂層體系長期浸泡在電解液中研究涂層的失效機理，這與涂層實際服役環境有很大差異，利用實驗室浸泡試驗的結果無法準確評價涂層體系在實際服役環境的臨界腐蝕損傷值。特別對于耐候性好的多層涂層體系，底漆層具有良好的抗浸蝕性能，但耐光老化性能較差，多層涂層體系在實驗室內浸泡100天仍具有良好的防護性能，然而在實際服役環境下，多層涂層體系的面漆層一旦破壞，底漆層受太陽輻射作用很快粉化，失去對基體金屬的保護作用，在這種情況下，利用實驗室浸泡試驗將得出與實際服役環境相反的評價結果。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于彌補現有涂層老化失效評價方法的不足而提供一種基于宏觀形貌特征和電化學特征的能快速對多層涂層體系的臨界腐蝕損傷進行評價的方法。該評價方法是針對現役多層涂層體系或進行自然環境試驗的多層涂層體系試樣，通過涂層宏觀形貌特征和涂層電化學特征表征其防護性能的下降，評價多層涂層體系的臨界腐蝕損傷程度。
[0006]本發明采用的技術方案是:涂層電化學特征評價系統，包括三電極體系、阻抗測試儀、電腦，所述電腦中裝有涂層電化學特征分析系統。
[0007]所述電化學分析系統能實現對多層涂層體系電化學特征的分析功能。
[0008]目視檢測待評價多層涂層體系的宏觀形貌特征，將多層涂層體系老化失效或損傷嚴重(例如粉化嚴重、起泡、開裂、剝落)部位作為電化學的測試部位，固定測試容器，將測試部位在3.5%的NaCl溶液中浸泡20min，然后利用三電極體系、阻抗測試儀和電腦測試該多層涂層體系在3.5% NaCl溶液中的EIS數據，錄入涂層電化學特征分析系統中。
[0009]本發明根據待評價多層涂層體系的制備方式以及多層涂層體系厚度較大的特點，建立了一種多層涂層體系物理模型和一種電化學阻抗譜CM等效電路模型，獲得多層涂層體系每一層涂層的電容及電阻。根據電化學交流阻抗譜測試原理，涂層電容越小，電阻越大，腐蝕介質破壞基體金屬的阻力越大，涂層的防護性能就越好。對于多層涂層體系，每層涂層各自的電容和電阻對涂層體系總電容和總電阻均有貢獻。在實際服役過程中，第二層涂層(面漆層)老化失效或損傷后，第一層涂層(底漆層)仍可阻擋腐蝕介質，只有第一層涂層腐蝕損傷，整個涂層體系才失去對基體的防護能力，即多層涂層體系第一層涂層的腐蝕損傷程度直接影響著涂層體系的防護性能。因此，根據第一層涂層的阻抗值可快速評價多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值。如第一層涂層阻抗值下降至16 Ω/cm2，認為第一層涂層失去對腐蝕介質的屏蔽能力，多層涂層體系失去防護性能，評定服役時間或試驗時間為多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值。
[0010]作為進一步的優選方案，在對多層涂層體系臨界腐蝕損傷值進行快速評價的基礎上，根據每一層涂層體系電容電阻和涂層剩余厚度，可預測涂層體系的剩余壽命。
[0011]本發明的技術效果在于，建立了一種多層涂層體系物理模型和一種電化學阻抗譜CM等效電路模型，計算出多層涂層體系中每一層涂層的電容和電阻，根據第一層涂層的阻抗值快速評價多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值，技術方案簡單、實用。
[0012]本發明的另一項技術效果在于，在對多層涂層體系臨界腐蝕損傷值進行快速評價的基礎上可根據涂層厚度預測涂層體系的剩余壽命。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明建立的一種多層涂層體系物理模型示意圖。
[0014]圖2是本發明建立的一種多層涂層體系電化學阻抗譜CM等效電路模型。
【具體實施方式】
[0015]本發明的【具體實施方式】是:
步驟一:目視檢測待評價多層涂層體系的宏觀形貌特征，初步判斷多層涂層體系的老化失效程度，用測厚儀測試多層涂層體系的剩余厚度。
[0016]步驟二:選擇多層涂層體系老化失效或損傷嚴重(例如粉化嚴重、起泡、開裂、剝落)部位作為電化學的測試部位，固定測試容器，將測試部位在3.5%的NaCl溶液中浸泡20min,使多層涂層體系表面充分濕潤，如多層涂層體系已達臨界腐蝕損傷狀態，則腐蝕溶液很快浸入金屬基體，反之，則腐蝕溶液在入侵過程中受阻，無法浸蝕金屬基體，達到原位無損檢測的目的。
[0017]步驟三:利用三電極體系(鉬電極作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極)、阻抗測試儀和電腦測試待評價多層涂層體系在3.5% NaCl溶液中的EIS數據，錄入涂層電化學特征分析系統。
[0018]步驟四:多層涂層體系一般由轉化層、底漆和面漆組成。為了保證涂層與基體金屬之間的結合力，一般在制備多層涂層體系時，基體金屬進行陽極化表面處理24h內噴涂底漆，底漆表干后噴涂面漆。根據多層涂層體系的制備方式，本發明建立了一種多層涂層體系物理模型，如圖1所示。
[0019]步驟五:根據多層涂層體系厚度大的特點，把涂層按制備工序分成η個薄層，每層都有各自的電容C (χ)和電阻R (χ)，且對總電容和總電阻均有貢獻，本發明根據這個思想建立了一種電化學阻抗譜CM等效電路模型，如圖2所示，所述CM等效電路為各層RC并聯電路的串聯。
[0020]步驟六:利用涂層電化學特征分析系統，按照上述電化學阻抗譜CM等效電路模型，分析測試所得電化學數據，獲得多層涂層體系每一層涂層的電容及電阻。
[0021]步驟七:根據電化學交流阻抗譜測試原理，涂層電容越小，電阻越大，腐蝕介質破壞基體金屬的阻力越大，涂層的防護性能就越好。對于多層涂層體系，每層涂層各自的電容和電阻對涂層體系總電容和總電阻均有貢獻。在實際服役過程中，多層涂層體系第二層涂層(即面漆層)老化失效或損傷后，第一層涂層(即底漆層)仍可阻擋腐蝕介質，只有第一層涂層腐蝕損傷，整個涂層體系才失去對基體的防護能力，即多層涂層體系第一層涂層的腐蝕損傷程度直接影響著涂層體系的防護性能。因此，根據第一層涂層的阻抗值可快速評價多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值。如第一層涂層阻抗值下降至16 Ω/Cm2，認為第一層涂層失去對腐蝕介質的屏蔽能力，多層涂層體系失去防護性能，評定服役時間或試驗時間為多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值。
[0022]步驟八:在對多層涂層體系臨界腐蝕損傷值進行快速評價的基礎上，根據每一層涂層體系電容電阻和涂層剩余厚度，可預測涂層體系的剩余壽命。
[0023]以下是具體的多層涂層體系臨界腐蝕損傷值評價的運用實例:
實例1:硫酸陽極化+2層ΤΒ06-9涂層
基材金屬:2D12鋁合金涂裝方式:噴涂
涂層厚度:第一層TB06-9涂層 15 μ m?30 μ m 第二層TB06-9涂層 15 μ m?30 μ m 涂層總厚度:30 μ m?60 μ m 原始涂層實測厚度:43 μ m?52 μ m 試驗環境:海洋大氣環境試驗方式:平臺戶外大氣暴露試驗時間:2年
本實例中多層涂層體系由硫酸陽極氧化層、2層TB06-9涂層組成，用圖2所示的CM等效電路模型分析測試所得電化學數據，各涂層或轉化層的電容及阻抗值如表I所示，3個測試部位的第一層涂層阻抗值(R1)均下降至106Q/cm2。評價結果:多層涂層體系已失去屏蔽作用，海洋大氣環境下暴露2年為該多層涂層體系的臨界腐蝕損傷值。
[0024]表I “硫酸陽極化+2層TB06-9涂層體系”試驗兩年后EIS數據等效電路的參數
【權利要求】
1.一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:采用便攜式電化學系統采集現場涂層電化學信號，輸入計算機，由預先裝設的涂層電化學特征分析系統給出評價結論，具體包括如下步驟: (O目視檢測待評價多層涂層體系的宏觀形貌特征，選擇腐蝕嚴重部位測試Eis數據，和涂層厚度，輸入計算機進行后續處理； (2)利用計算機裝設的涂層電化學特征分析系統，分析測試所得電化學數據，獲得多層涂層體系每一層涂層的電容及電阻； (3)根據每一層涂層的電容及電阻評價多層涂層體系是否達到臨界腐蝕損傷。
2.根據權利要求1所述的多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:所述涂層電化學特征分析系統是基于一種多層涂層體系腐蝕介質滲透物理模型和一種電化學阻抗譜CM等效電路模型構建的。
3.根據權利要求2所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:所述多層涂層體系腐蝕介質滲透物理模型是基于涂層的多孔性質，通過分析電解質滲入多層涂層體系的過程以及多層涂層體系破壞機制，結合多層涂層體系制備方式建立的，反映了涂層的結構、以及涂層與界面的結構的變化。
4.根據權利要求2所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:所述電化學阻抗譜CM等效電路模型是由每一層涂層體系的電阻電容并聯后再串聯組成，表現形式為為RGRcA) ((R1C1)- (RnCn)),其分層層數應與多層涂層體系物理模型一致。
5.根據權利要求1~4所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:通過涂層電化學特征分析系統，獲得多層涂層體系每一層涂層的電容及電阻。
6.根據權利要求1~5所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:建立了基于每一層涂層的電容及電阻評價多層涂層體系是否達到臨界腐蝕損傷的方法，確定了評價多層涂層體系達到臨界腐蝕損傷的涂層電阻臨界值。
7.根據權利要求1~6所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:建立多層涂層體系每一層涂層體系電容電阻、總電阻與涂層厚度之間的變化趨勢曲線。
8.根據權利要求1~7所述的一種多層涂層體系臨界腐蝕損傷快速評價方法，其特征在于:在對多層涂層體系臨界腐蝕損傷值進行快速評價的基礎上，根據所述變化趨勢曲線和涂層剩余厚度，可預測涂層體系的剩余壽命。
【文檔編號】G01N27/416GK104076079SQ201310061870
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2013年3月26日 優先權日:2013年3月26日
【發明者】舒暢, 蘇艷 申請人:中國兵器工業第五九研究所