有机涂层/金属腐蚀无损检测技术研究进展

有机涂层/金属腐蚀无损检测技术研究进展

聂尧

山东汇齐安全技术有限公司  山东淄博  邮编255000  身份证号：370827199005290018

摘  要：受自然和人为等多种因素的影响，有机涂层/金属腐蚀问题日趋严重，防腐蚀涂料是当前金属材料使用最广泛的也是最成熟的防护技术，对于技术人员而言，任何时候对涂层下金属腐蚀进行无损检测都是迫在眉睫的首要问题。本文综述了有机涂层的基本原理，指出了有机涂层腐蚀检测方面存在的问题并对其未来的发展趋势进行展望。

关键词：金属；有机涂层；腐蚀；无损检测

前言

防腐蚀涂料作为金属材料使用最为普遍和有效的防护技术，广泛应用于海洋、化工、交通、国防等各个领域。随着涂料工业技术水平的不断进步，涌现出种类繁多的防腐蚀涂料产品。其中，环境友好、低表面处理要求的长效防腐蚀涂料产品由于具有绿色环保、易施工、防护期限长等优点而备受青睐。尽管这类涂料产品初期投入较高，但如果综合考虑全寿命周期成本，则技术优势十分明显。研究表明，在服役环境中，强极性水分子会逐渐渗透涂层，在涂层与金属表面形成水膜，与水同时渗透进来的氧气、二氧化碳和腐蚀性离子(CI-、SO42-等)溶于水膜中形成了腐蚀介质溶液。金属/涂层表面的腐蚀电位不同，在金属表面会形成多个腐蚀阴极区和阳极区，导致点蚀的发生。新生成腐蚀产物在涂层/金属界面的堆积，加速破坏了涂层与金属的粘结性，最终造成有机涂层剥离失效。根据涂层/金属体系特征和涂层失效变化机制，可设计不同的无损检测技术。

1、涂层下金属腐蚀在线无损检测技术现状

1.1、电化学阻抗谱技术

电化学阻抗谱是电化学技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展，交流阻抗的测量精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使更好地理解电极表面双电层结构、活化钝化膜转换、孔蚀等腐蚀过程成为可能。

电化学阻抗谱优于其它暂态技术的一个特点是， 只需对处于稳态的体系施加一个无限小的正弦波扰动，这对于研究电极上的薄膜，如修饰电极和电化学沉积膜的现场研究十分重要，因为这种测量不会导致膜结构发生大的变化。此外，电化学阻抗谱的应用频率范围广(10-2- 105Hz)，可同时测量电极过程的动力学参数和传质参数，并可通过详细的理论模型或经验的等效电路，即用理想元件(如电阻和电容等)来表示体系的法拉第过程、空间电荷，以及电子和离子的传导过程，说明非均态物质的微观性质分布。因此，EIS现已成为研究电化学体系和腐蚀体系的一种有效方法。

1.2、电化学噪声技术

电化学噪声(EN)是指电化学动力系统中电化学状态参数(如电极电位、外测电流密度等)的随机非平衡波动现象。这种噪声产生于电化学系统的本身，而不是来源于控制仪器的噪音或是其它的外来干扰。1968年， Iverson首次记录了腐蚀金属电极的电位波动现象，自此以后EN技术作为一门新兴的实验手段在腐蚀与防护科学领域得到了长足的发展。EN技术是一种原位无损检测技术，其优势在于以下3个方面：一是在测量过程中无需对被测电极施加可能改变腐蚀电极腐蚀过程的外界扰动；二是该技术无需预先建立被测体系的电极过程模型；三是该技术无需满足阻纳的3个基本条件，而且可以实现远距离监测。以上技术优点使EN技术用于涂层下金属腐蚀监测在原理上成为可能。EN技术还可以检测诸如均匀腐蚀、孔蚀、裂蚀、应力腐蚀开裂等多种类型的腐蚀，并且能够判断金属腐蚀的类型。EN技术用于腐蚀监测最成功的应用案例是Hladky等人关于裂蚀和孔蚀的电位噪声的研究，发现该两种腐蚀在电化学噪声测试结果方面存在明显的区别。

1.3、脉冲涡流检测技术

脉冲涡流检测技术是将低频具有一定占空比的脉冲方波作为激励信号，根据不同工件上脉冲涡流信号所引起检测线圈上的感应电压变化作为检测分析结果的一种无损检测技术，具有扫描频谱宽、精确度高和信号穿透力强等特点127。其工作原理是把激励线圈套在被检测的有机涂层包覆管道上，将脉冲方波信号加载在线圈两端，瞬间断开信号后激励线圈会感应生成一个快速衰减的脉冲磁场，进而感应出脉冲涡流和衰减的二次磁场，最终在检测线圈上会感应出瞬态的感应电压。通过分析该感应电压就可得到试件上的缺陷信息。其检测系统主要由脉冲信号发生器、传感器(激励和检测线圈)、被测试件、前置放大器和数据采集与处理模块组成。

1.4、超声波无损检测技术

声波频率高于20kHz的机械波称为超声波。超声波测试原理是用超声波探头向有机涂层包覆的工件表面直接发射超声波脉冲，脉冲以恒定速率在均匀介质的材料内部传播，到达被测材料分界面时脉冲反射回探头，通过精确测量超声波的飞行时间来确定被测材料的厚度，以此判断有机涂层的腐蚀、起泡和剥离等内部缺陷33-34]。超声波探伤仪主要由同步电路、发射电路、接收电路、水平扫描电路、显示器和电源等组成。目前，超声波探伤仪已广泛应用于有机涂层包覆管道和钢管混凝土等无损检测实践中。

赵扬等利用超声波声压反射系数相位谱研究了ZrO2-Y203[w(Y2O3) =7%] 热障涂层的涂层密度分布状况。采用回波水浸聚焦技术以11MHz宽频超声脉冲波垂直入射热障涂层进行超声检测。根据相位谱实验曲线，确定涂层密度与相位谱极值的定量关系，最终发现原始热障涂层密度范围分别为4.74~4.92g/cm3。热障涂层的密度分布，对涂层的防腐性能和失效具有重要影响。潘丽娜1361根据超声波的传输原理，建立仿真模型进行ANSYS实验， 推导出超声波在双层介质中的波动方程，并以此为基础，探究了涂层剥离情况下超声波的传输特性，发现同种涂层影响声波振幅的变化，而不同涂层(或涂层出现缺陷)会影响超声波的传输速率。Alig等采用超声波反射技术实时监测了有机涂层在成膜和服役过程中的物理和化学变化。具体是通过向有机涂层和金属基体间发射横向和纵向超声波，计算超声波反射系数和对比涂层密度，得到涂层体系的横向变形系数和机械模量信息。通过该法还可获得大量的有机涂层物理和结构信息，如玻璃化温度、涂层的溶胀和干燥，裂纹的萌生和分层等。

与其他无损检测技术相比，超声波检测技术具有成本低、灵活方便、效率高、对人体无害等优点。缺点是要求被测试工件表面平滑，对缺陷没有直观性反馈，只有经验丰富的测试人员才能辨别腐蚀缺陷和类别。因此，可联合超声波检测技术与其他无损检测技术对有机涂层包覆金属进行准确检测。

2、结论与展望

有机涂层是金属材料服役过程中使用最为成熟和有效的防护手段，对涂层本身和其包覆下金属的腐蚀状态进行无损检测是技术人员迫切需要解决的课题。本文综述了涂层下金属腐蚀无损检测的相关技术的现状和进展。通过对各项技术的原理、优缺点的综合分析可以得出，电化学阻抗谱、电化学噪声和电流中断属于电化学检测技术，都需要解析获取电化学参数来表征涂层性能和涂层下金属的腐蚀状态。相比较而言，远场涡流技术检测到的是涂层下金属腐蚀的定量数据，不依赖于电化学参数解析，其方法更为直接和可靠，在涂层下金属腐蚀检测领域将具有更为广阔的应用前景。

参考文献

[1]刘栓,赵海超,顾林,等.有机涂层/金属腐蚀无损检测技术研究进展[J].电镀与涂饰,2014,33(22):993-997.

[2]朱晔,魏世丞,梁义,等.可视化无损检测技术研究进展?[J]. 材料导报,2017,31(3):63-69.