艦船裝備再制造防腐蝕技術(shù)研究及應(yīng)用

徐濱士

(裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室, 北京 100072)

1 前 言

再制造工程是國內(nèi)外應(yīng)對資源和能源短缺、環(huán)境嚴(yán)重污染、就業(yè)壓力空前而采取的積極措施。再制造可以緩解有限資源和過度消耗之間的矛盾，可以最大限度地利用廢舊或因腐蝕、磨損而失效的裝備的剩余價值。我國的再制造技術(shù)是在維修工程、表面工程基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要基于表面工程、納米表面工程和自動化表面工程技術(shù)，經(jīng)過再制造的零件不低于新品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和尺寸精度，而且在耐腐蝕、耐磨、耐疲勞等性能上達(dá)到原型新品，是具有中國特色的自主創(chuàng)新技術(shù)，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。因此，大力發(fā)展再制造工程，加強對裝備腐蝕的控制，對實施節(jié)能減排、建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”兩型社會具有重要意義。

裝備在環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)和物理作用下引起腐蝕破壞，統(tǒng)計結(jié)果表明，世界鋼材的10%因腐蝕而損失，機電裝備失效的原因70%屬于腐蝕和磨損。2003年中國工程院發(fā)布的腐蝕調(diào)查報告中指出，2002年我國因腐蝕造成的損失近6 000億元，占當(dāng)年GDP的5%，為地震、臺風(fēng)、水災(zāi)等自然災(zāi)害綜合損失的6倍。腐蝕除造成直接經(jīng)濟損失外，還可以引起設(shè)備損壞，從而導(dǎo)致停產(chǎn)、裝備質(zhì)量下降、生產(chǎn)效率降低、有毒有害物質(zhì)的跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，造成環(huán)境污染等間接損失，這些損失更是不可估量的[1]。2007年中國工程院發(fā)布了摩擦學(xué)調(diào)查報告：2006年全國因摩擦磨損造成的損失高達(dá)9 500億元，占當(dāng)年GDP的4.5%[2]。腐蝕與摩擦磨損兩項損失合計粗算為GDP的9.5%，而國外發(fā)達(dá)國家這一比例只達(dá)到4～5%，這說明中國與發(fā)達(dá)國家在控制腐蝕與摩擦磨損方面還存在著較大的差距。倘若我們采取積極有效的防護措施，降低1%的損失，即可挽回155億元的經(jīng)濟損失。

2 再制造工程內(nèi)涵及特征

2.1 再制造的定義與內(nèi)涵

維修實踐發(fā)現(xiàn)，裝備的失效往往取決于最薄弱零件的失效，若使最薄弱零件的性能得以恢復(fù)提升，裝備的整體性能就能提升，裝備的總體壽命就會延長。最薄弱

零件或零件最薄弱部位的失效形式，基本是腐蝕、磨損和疲勞失效。將廢舊裝備或零件利用表面工程技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，重新賦予廢舊裝備服役能力的過程就是“再制造”。

再制造工程是指以裝備全壽命周期理論為指導(dǎo)，以實現(xiàn)廢舊裝備性能提升為目標(biāo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保為準(zhǔn)則，以先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)為手段，進(jìn)行修復(fù)、改造廢舊裝備的一系列技術(shù)措施或工程活動的總稱[3]。簡言之，再制造是廢舊裝備高技術(shù)修復(fù)、改造的產(chǎn)業(yè)化。

再制造工程的研究對象——“裝備”是廣義的，它可以是設(shè)備、系統(tǒng)、設(shè)施，也可以是其零部件。通過腐蝕調(diào)查、故障分析發(fā)現(xiàn)，裝備的腐蝕不僅僅是單純防銹的問題，而是與裝備的設(shè)計、生產(chǎn)、制造、使用、維修、再制造、報廢等各個環(huán)節(jié)密切相關(guān)的問題，是將腐蝕科學(xué)、腐蝕工程、裝備設(shè)計、制造技術(shù)與管理科學(xué)相結(jié)合才能解決的系統(tǒng)問題。再制造工程就是以裝備后半生為研究對象，從而提升、改造裝備的性能，使廢舊或腐蝕裝備重獲生命力。圖1為再制造在裝備全壽命周期中的位置示意圖。

圖1 再制造在裝備全壽命周期的位置示意圖Fig.1 The schematic diagram of position of remanufacture in equipment total lifecycle

2.2 再制造工程的特征

中國特色的再制造重要特征是再制造后的裝備質(zhì)量和性能不低于新品，有些還超過新品，成本只是新品的50%，同時節(jié)能60%、節(jié)材70%，對環(huán)境的不良影響顯著降低，有力促進(jìn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的建設(shè)?？珊唵胃爬椋骸皟尚蜕鐣薄ⅰ拔辶摺?。

幾十年來，歐美國家在傳統(tǒng)制造業(yè)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展并完善了以“換件修理法”、“尺寸修理法”為核心的再制造模式，該模式的技術(shù)特點是：對于損傷程度較重的零件，直接更換新件；對于損傷程度較輕的零件，則利用車、磨、鏜等機械加工手段，在改變零件尺寸的同時恢復(fù)零件的幾何精度，再與加大尺寸的非標(biāo)新品零件配副。英美最大的發(fā)動機再制造企業(yè)李斯特派特公司和康明斯公司都采用這種再制造模式。但國外再制造模式存在一些不足，如舊件的再制造率較低、浪費較大、節(jié)能減排效果欠佳等，具體表現(xiàn)為：①更換新件浪費很大，沒有挖掘零件中蘊含的高附加值；②尺寸變化后破壞了零件的互換性，不能保證再制造產(chǎn)品的壽命達(dá)到原型新品；③適合對表面輕度損傷的零件進(jìn)行再制造，很難對表面重度損傷的零件、更無法對三維體積損傷的零件(如掉塊等)進(jìn)行再制造。

與國外相比，中國的再制造技術(shù)具有鮮明的自主創(chuàng)新特色。中國自1999年正式提出再制造的概念以來，開始探索自主創(chuàng)新的再制造模式，將“表面修復(fù)和性能提升法”作為再制造的主要技術(shù)方法，把先進(jìn)的無損檢測理論與技術(shù)、表面工程理論與技術(shù)和熔覆成形理論與技術(shù)引入再制造，不僅準(zhǔn)確恢復(fù)尺寸，而且顯著提升裝備防腐、耐磨等綜合性能，最重要的是資源利用率高，能源消耗少，具有顯著的節(jié)能減排特色。中國自主創(chuàng)新的再制造模式特點突出：①不僅能對表面較輕度損傷的零件進(jìn)行再制造，還能對表面重度損傷及三維體積損傷的零件進(jìn)行再制造；②不僅恢復(fù)零件損傷部位的尺寸超差，而且明顯提升零件的整體性能。10余年的實踐證明，中國自主創(chuàng)新的再制造模式很好地彌補了國外再制造模式的不足，效果更優(yōu)。

3 再制造在國內(nèi)外的新發(fā)展

3.1 國外再制造的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)30～40年代，為了走出經(jīng)濟蕭條的困境，以及適應(yīng)第二次世界大戰(zhàn)的需求，最早的再制造雛形在美國汽車維修行業(yè)中出現(xiàn)。至20世紀(jì)80年代初，美國正式提出“再制造”。此后，歐美各國開始大力發(fā)展再制造，從幾十年的發(fā)展歷程來看，歐美等國無論在廢品回收責(zé)任制、再制造產(chǎn)品質(zhì)量保證，還是在再制造產(chǎn)品銷售和售后服務(wù)等方面都已形成了一套比較成熟的制度和較完整的產(chǎn)業(yè)體系。

廢品回收責(zé)任制歐盟要求廠家為其產(chǎn)品對環(huán)境造成的影響負(fù)責(zé)，相關(guān)垃圾的回收和處理費用由廠家承擔(dān)。日本政府制定政策，要求制造商、零售商和消費者分擔(dān)產(chǎn)品回收費用，即消費者承擔(dān)回收費、零售商負(fù)責(zé)收集、制造商要對廢舊產(chǎn)品進(jìn)行回收利用。北美工程機械市場提高了國際交易的門檻，要求制造商在出售產(chǎn)品的同時，也必須承擔(dān)回收責(zé)任，應(yīng)拿出銷售額的50%回收廢舊產(chǎn)品。

再制造產(chǎn)品質(zhì)量保證歐美國家對再制造產(chǎn)品質(zhì)量保證有嚴(yán)格要求，再制造產(chǎn)品必須在質(zhì)量、性能、售后服務(wù)方面達(dá)到與新品一樣的水平。對再制造產(chǎn)品實施與新品一樣的管理，包括質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)準(zhǔn)入門檻、稅收政策等。針對再制造行業(yè)的特殊性，政府部門還制定了與再制造產(chǎn)品相關(guān)的廣告、標(biāo)識以及知識產(chǎn)權(quán)等方面的規(guī)定。

再制造的經(jīng)濟效益制造商開展再制造，已成為新的經(jīng)濟增長點。至1996年，美國專業(yè)化再制造公司達(dá)73 000家，年銷售額530億美元，直接雇員48萬人；2005年全球再制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已超過1 000億美元，其中美國再制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大，超過750億美元，而汽車和工程機械再制造占2/3以上，約500億美元[4]。

3.2 我國再制造的發(fā)展?fàn)顩r

我國再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對較晚，但發(fā)展勢頭很好，目前已成為世界上最重要的再制造中心之一。2000年3月，在瑞典哥德堡召開的第15屆歐洲維修國際會議上，筆者發(fā)表了題為“面向21世紀(jì)的再制造工程”的會議論文，這是中國學(xué)者第一次在國際上提出“再制造”的概念[5]。同年12月，由筆者牽頭完成的中國工程院咨詢報告《綠色再制造工程及其在我國應(yīng)用的前景》呈報中國國務(wù)院，國務(wù)院辦公廳批轉(zhuǎn)10個部委研究參閱，標(biāo)志著再制造的概念已被國家接受，同時也標(biāo)志著再制造在中國正式起步。2001年，國家下文批準(zhǔn)建設(shè)中國第一個再制造領(lǐng)域的國家級重點實驗室——再制造技術(shù)國家級重點實驗室；2003年6月，實驗室通過了國家部委組織的聯(lián)合驗收，一致認(rèn)為該實驗室代表了我國再制造領(lǐng)域的最先進(jìn)水平。2002年，中國國家自然科學(xué)基金委員會正式批準(zhǔn)《再制造的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)》項目為自然科學(xué)基金重點項目，標(biāo)志著再制造已進(jìn)入國家重大基礎(chǔ)研究序列。2003年，科技部和中國工程院指定筆者為制定我國2020年中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃第三專題《制造業(yè)發(fā)展科學(xué)問題研究》的20位科學(xué)家之一，負(fù)責(zé)其中第16項關(guān)鍵技術(shù)“機械裝備的自修復(fù)與再制造”的研究論證，此研究工作將為再制造在我國的長遠(yuǎn)發(fā)展提供決策性論據(jù)，標(biāo)志著再制造已成為中國未來發(fā)展的國家意志。2004年，再制造被中國政府確定為發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的戰(zhàn)略之一。2005年7月，中國國務(wù)院頒布的21號、22號文件首次明確表示國家將“支持廢舊機電產(chǎn)品再制造”，并把“綠色再制造技術(shù)”列為“國務(wù)院有關(guān)部門和地方各級人民政府要加大經(jīng)費支持力度的關(guān)鍵、共性項目之一”；2005年11月，國家發(fā)改委等6部委聯(lián)合頒布的“關(guān)于組織開展循環(huán)經(jīng)濟試點(第一批)工作的通知”文件公布了包括7個重點行業(yè)、4個重點領(lǐng)域、13個產(chǎn)業(yè)園區(qū)和10個省市的42個循環(huán)經(jīng)濟示范試點名單。其中再制造被列為4個重點領(lǐng)域之一，我國發(fā)動機再制造企業(yè)濟南復(fù)強再制造公司被列為再制造重點領(lǐng)域中的試點單位。2006年，時任國務(wù)院副總理曾培炎就發(fā)展我國汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)作出重要批示：“同意以汽車零部件為再制造產(chǎn)業(yè)試點，探索經(jīng)驗，研發(fā)技術(shù)；同時要考慮定時修訂有關(guān)法律法規(guī)”。2007年，根據(jù)曾培炎副總理的指示，國家發(fā)改委組織開展了國內(nèi)汽車零部件再制造產(chǎn)業(yè)試點的系列工作，并委托中國汽車工業(yè)協(xié)會牽頭，成立了由原機械工業(yè)部部長何光遠(yuǎn)和筆者為顧問的專題研究小組。

2008年5月，全國防腐蝕標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會在中國工業(yè)防腐蝕技術(shù)協(xié)會成立，統(tǒng)一制修訂具有中國特色的標(biāo)準(zhǔn)體系，使防腐蝕行業(yè)更好地適應(yīng)國家提出的節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)。同年6月，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會批準(zhǔn)成立“全國綠色制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會再制造分技術(shù)委員會”，由再制造技術(shù)國家級重點實驗室作為秘書處掛靠單位和委員會籌建單位，目前實驗室正在積極開展再制造術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)、再制造技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)、性能檢測標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以及關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等制定及相關(guān)工作。同年11月，由中國、歐盟、巴西維修協(xié)會共同支持的“第四屆世界維修大會”在中國海南召開，來自世界30多個國家的400余位代表參會。這是首次在中國舉辦的世界級維修大會，再制造成為本次大會的重要主題。筆者擔(dān)任大會執(zhí)委會主任并作了題為“維修工程新方向——再制造工程在中國的發(fā)展”的主旨報告。

2009年1月，《中華人民共和國循環(huán)經(jīng)濟促進(jìn)法》正式生效。該法在第2、第40及第56條中6次闡述再制造，標(biāo)志著再制造已進(jìn)入國家法律。該法第40條指出：“國家支持企業(yè)開展機動車零部件、工程機械、機床等產(chǎn)品的再制造?！痹摲ㄒ彩菂^(qū)別國外再制造技術(shù)，體現(xiàn)了中國自主創(chuàng)新發(fā)展的再制造概念與內(nèi)涵。同年4月，國務(wù)院召開全國循環(huán)經(jīng)濟座談會，時任中共中央政治局常委、國務(wù)院副總理李克強，科技部部長萬鋼，時任中國工程院院長徐匡迪等領(lǐng)導(dǎo)出席。筆者作了“中國特色的再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策建議”的發(fā)言，受到李克強副總理的關(guān)心重視。12月，時任中共中央政治局常委、國務(wù)院總理溫家寶在中國工程院上報的《我國再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與對策建議的報告》上對再制造作出重要批示：“再制造產(chǎn)業(yè)非常重要。它不僅關(guān)系循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展，而且關(guān)系擴大內(nèi)需和環(huán)境保護?！?/p>

2010年5月，國務(wù)院副總理李克強再次主持召開國家“循環(huán)經(jīng)濟工作座談會”。筆者等人向李克強副總理匯報了再制造的最新進(jìn)展。5月，國家發(fā)改委、科技部、工信部、公安部、財政部、商務(wù)部等11個部委聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》，指導(dǎo)全國加快再制造的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并將再制造產(chǎn)業(yè)作為國家新的經(jīng)濟增長點予以培育。

2011年3月，國家發(fā)布《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》，《綱要》明確要求，未來5年中，應(yīng)“推進(jìn)再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展；開發(fā)應(yīng)用再制造關(guān)鍵技術(shù)，推廣循環(huán)經(jīng)濟典型模式?！?/p>

2013年，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略及近期行動計劃的通知》中提出到2015年末，實現(xiàn)年再制造發(fā)動機80萬條，變速箱、啟動機、發(fā)電機等800萬件，工程機械、礦山機械、農(nóng)用機械等20萬臺套，實現(xiàn)再制造產(chǎn)值500～800億元。

4 艦船裝備再制造腐蝕控制的作用及體系結(jié)構(gòu)

由于我國艦船裝備存在種類多、型號雜、標(biāo)準(zhǔn)化程度偏低；技術(shù)跨度大、專業(yè)領(lǐng)域廣、綜合集成度高；多代并存、引進(jìn)和國產(chǎn)裝備并存、新裝備和超到壽裝備并存等諸多問題，使裝備的腐蝕控制尤為困難。艦船裝備及其設(shè)施的腐蝕從表面開始，隨著腐蝕進(jìn)程的深入造成了裝備服役壽命的縮短，使用率的降低，同時增加了維護、維修的費用，造成了巨大的資源、能源的浪費。通過再制造防腐蝕技術(shù)，可以提高在役和廢舊裝備的防腐蝕能力，賦予廢舊或已腐蝕裝備新的生命周期，從而安全有效地延長裝備服役壽命。

裝備腐蝕控制的再制造工程主要包括：裝備腐蝕環(huán)境及失效分析、腐蝕裝備壽命預(yù)測評估、裝備腐蝕控制再制造關(guān)鍵技術(shù)體系、再制造腐蝕裝備評價、再制造裝備腐蝕控制保障體系等幾部分，見圖2。其中裝備腐蝕環(huán)境及失效分析應(yīng)對裝備服役環(huán)境的腐蝕介質(zhì)信息、裝備材質(zhì)特征信息、裝備腐蝕特征規(guī)律、腐蝕失效行為及危害度以及腐蝕對裝備可靠性的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，理清裝備的服役狀況和腐蝕情況，為腐蝕裝備再制造奠定基礎(chǔ)。采用腐蝕監(jiān)檢測技術(shù)對在役或已腐蝕裝備的壽命進(jìn)行在線或離線的預(yù)測評估，以決定裝備能否再制造以及再制造后的壽命，其為裝備再制造防腐蝕工程的前提和基礎(chǔ)。裝備腐蝕再制造的重要技術(shù)手段，主要是基于表面工程、納米表面工程以及自動化表面工程而發(fā)展起來的，目前已研發(fā)并得到實際應(yīng)用的有高速電弧噴涂長效防腐蝕技術(shù)、耐熱腐蝕及抗沖蝕技術(shù)、納米電刷鍍防腐耐磨涂層技術(shù)、納米防腐涂料技術(shù)等多種再制造防腐蝕關(guān)鍵技術(shù)，有效解決了腐蝕裝備的再制造問題，延長了裝備的服役壽命。再制造腐蝕裝備評價是一項系統(tǒng)工程，包括腐蝕裝備所采取再制造防腐蝕技術(shù)的工藝性評價，涂、鍍層防腐性、耐磨性、抗沖刷性、防海生物附著等性能評價，為再制造防腐蝕技術(shù)的優(yōu)化提供參考。同時結(jié)合腐蝕電化學(xué)、微觀組織分析等測試技術(shù)對裝備腐蝕部位進(jìn)行電化學(xué)信號、腐蝕產(chǎn)物、腐蝕形貌的分析，為裝備腐蝕控制提供理論依據(jù)；此外，還需對裝備再制造防腐蝕工藝進(jìn)行經(jīng)濟性評價，經(jīng)綜合評價后，為裝備制定出既經(jīng)濟又有效的再制造防腐蝕技術(shù)。再制造裝備腐蝕控制的保障體系是指針對再制造后裝備的可實時監(jiān)檢測性、維修性、安全性、可靠性的綜合保障技術(shù)。

圖2 裝備再制造腐蝕控制體系框圖Fig.2 System chart of corrosion controlling of equipment remanufacture

5 再制造關(guān)鍵技術(shù)在艦船裝備腐蝕控制中的應(yīng)用

十幾年來，再制造技術(shù)重點實驗室在裝備防腐領(lǐng)域開展了深入、系統(tǒng)的研究，以及開發(fā)和推廣工作，利用一系列再制造關(guān)鍵技術(shù)開展了裝備在不同腐蝕條件下的防護及控制工作，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

實踐證明，采用再制造關(guān)鍵技術(shù)可以有效地防止或延緩腐蝕，是一種行之有效的防腐技術(shù)措施。目前已經(jīng)采用和計劃開展的腐蝕防護、再制造關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下5個方面。

5.1 高速電弧噴涂長效防腐技術(shù)

5.1.1 高速電弧噴涂Zn-Al基耐海水腐蝕涂層技術(shù)

艦船由于受到海水及海面鹽霧的侵蝕，甲板及艦體腐蝕嚴(yán)重，每年都需要涂幾次油漆進(jìn)行防護；南海地區(qū)艦艇每次小修時更換腐蝕的鋼板達(dá)到1/3，中修時換板率超過了1/2，既增加了維修的工作量、降低了艦船在航率，又造成巨大的經(jīng)濟損失[6]。電弧噴涂鋅、鋁及鋅鋁合金涂層具有優(yōu)良的防海水、海洋大氣、鹽霧腐蝕能力，加入稀土可以有效地改善涂層的物理化學(xué)性能，提高涂層的耐腐蝕性能。電弧噴涂技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一是長效防腐涂層的制備，經(jīng)過幾十年的研究與開發(fā)，已被世界上許多國家應(yīng)用于船舶長效防護。

海水對金屬材料的腐蝕是典型的電化學(xué)腐蝕，海水中的氯離子(Cl-)對氧化、鈍化膜的穿透能力極強，因此艦船在海水中很易被腐蝕。為增強艦船的耐腐蝕性能，我們開發(fā)了高速電弧噴涂Al-RE[7]、Zn-Al耐蝕涂層[8]，耐腐蝕效果優(yōu)異。Zn-Al涂層是替代純Zn和純Al涂層的極有發(fā)展前途的耐蝕金屬涂層。當(dāng)Zn-Al涂層中Al含量超過13～15%時，涂層既具有純Zn涂層對鋼鐵基體有效的陽極保護能力，同時具有對點蝕和裂紋不敏感的特點，又因涂層中含有足夠的Al，能夠形成完整的Al2O3保護膜，從而延緩海水的腐蝕作用。

在Zn-Al耐蝕涂層的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了Zn-Al-Mg及Zn-Al-Mg-RE涂層。這兩類涂層由于具有“自封閉”作用，進(jìn)一步提高了涂層耐腐蝕性能。在涂層腐蝕過程中，Zn可形成不溶解性的氧化物及堿式碳酸鹽等腐蝕產(chǎn)物(ZnO或Zn4(OH)6CO3·H2O)，其封閉了涂層中的孔隙，即“自封閉”效果。Mg的加入加快了“自封閉”過程，提高了涂層的耐蝕性。在加入0.7%～1.4%Mg(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后，Zn-Al-Mg合金涂層在鹽霧腐蝕環(huán)境下耐蝕性較Zn-Al涂層提高了4倍。

作者課題組采用電化學(xué)交流阻抗譜法對Zn-Al-Mg-RE涂層的“自封閉”作用進(jìn)行研究。圖3為Zn-Al-Mg-RE涂層在不同浸泡時間條件下所獲取的電化學(xué)阻抗譜。譜圖上可以看出，在浸泡初期呈現(xiàn)半徑近似的兩個半圓外形，而隨后轉(zhuǎn)入到單一半圓形狀。浸泡初期對應(yīng)的等效電路圖見圖4，與Zn-Al 和Zn-Al-Mg涂層的相同；浸泡后期對應(yīng)的等效電路如圖5表示，比較圖4和圖5可以看出，在浸泡后期的電化學(xué)阻抗譜的測試中已經(jīng)接收不到來自涂層/基體界面的信息，表明在浸泡后期Cl-已不能到達(dá)涂層/基體界面。Zn-Al-Mg-RE涂層的腐蝕產(chǎn)物與Zn-Al-Mg涂層的比較，并沒有明顯差別，但稀土元素可細(xì)化涂層顆粒，使顆粒粒度均勻，降低涂層孔隙率，使涂層組織致密，進(jìn)而減少了腐蝕通道。因此反應(yīng)進(jìn)行一定時間后，由于鈍化膜及腐蝕產(chǎn)物的堵塞，Cl-很難通過涂層表面的缺陷進(jìn)入涂層到達(dá)涂層/基體的界面，涂層的“自封閉”效果更加明顯，大幅度提高了涂層腐蝕產(chǎn)物層的穩(wěn)定性，從而使Zn-Al-Mg-RE涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性。

圖3 Zn-Al-Mg-RE涂層在5%NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜圖Fig.3 Electrochemical impedance spectrum of Zn-Al-Mg-RE coating in 5%NaCl solution

圖4 Zn-Al-Mg-RE涂層浸泡初期對應(yīng)等效電路Fig.4 The corresponding equivalent circuit of Zn-Al-Mg-RE coating at the initial stage of immersion

圖5 Zn-Al-Mg-RE涂層浸泡后期對應(yīng)等效電路Fig.5 The corresponding equivalent circuit of Zn-Al-Mg-RE coating at the later stage of immersion

此外，還采用高速電弧噴涂技術(shù)對潛艇鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了防腐處理，原來此類鋼結(jié)構(gòu)4～5年造成腐蝕穿孔、7～8年中修時換板率達(dá)50%，采用該技術(shù)后防腐蝕壽命延長至15年以上。裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室還采用高速電弧噴涂技術(shù)對南海海域的導(dǎo)彈驅(qū)逐艦、北海海域的潛艇以及水陸兩棲坦克車體進(jìn)行了防腐處理，試驗證明，在不同海域、不同壓力條件下，電弧噴涂涂層的防腐效果十分顯著。同時對新建造污水監(jiān)測處理船進(jìn)行電弧噴涂防腐處理，鋼結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生腐蝕。對遠(yuǎn)望1號航天測量船進(jìn)行電弧噴涂防腐處理，效果非常滿意。在三峽工程1.2×105m2閘門鋼結(jié)構(gòu)的防腐工程上，采用新型高速電弧噴涂技術(shù)和鋁稀土合金涂層，替代原來的鋅涂層設(shè)計方案，提高了防腐涂層質(zhì)量，大大降低了成本，僅原材料一項就節(jié)省近30萬美元，同時解決了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

5.1.2 高速電弧噴涂金屬間化合物涂層技術(shù)

艦船動力艙鍋爐及其受熱面極易產(chǎn)生腐蝕、磨損、積灰、結(jié)渣等問題。由于鍋爐的燃料為煤，煤中含有S，K，Na，V等雜質(zhì)，在燃燒時形成SO2、SO3、H2S、V2O5等產(chǎn)物，這些產(chǎn)物與空氣中的O2、NaCl等反應(yīng)，在管道表面形成沉積熔鹽，從而加速管道的熱腐蝕破壞。這些問題使鍋爐受熱面使用壽命降低，鍋爐管道爆漏現(xiàn)象頻繁發(fā)生。更換這些過早失效的管道費用昂貴，大大提高了運行成本。除更換新管和維修鍋爐造成的巨大經(jīng)濟損失外，鍋爐停運也造成不可估量的損失。

Fe-Al金屬間化合物結(jié)構(gòu)涂層具有優(yōu)異的抗氧化和抗硫化性能，以及在多種介質(zhì)中的抗腐蝕性能，同時具有較高的高溫強度、低密度、尤其是低成本等特點，可廣泛用于減輕熱腐蝕破壞。但是，F(xiàn)e-Al金屬間化合物室溫下低的塑性及低的斷裂抗力，惡化了其加工成形工藝性能，大大限制了其工程應(yīng)用。研究表明，利用熱噴涂技術(shù)在結(jié)構(gòu)材料上噴涂Fe-Al金屬間化合物涂層,既能解決其難以加工成型的問題,又能充分發(fā)揮其優(yōu)異的耐蝕、耐磨性能。因此，采用高速電弧噴涂與粉芯絲材(鐵皮包鐵鋁混合粉末)相結(jié)合的材料制備與成形一體化技術(shù)，在實驗室中成功制備了Fe-Al金屬間化合物及其復(fù)合涂層(Fe-Al[9]、Fe-Al/WC[10]、Fe-Al/Cr3C2[11])。結(jié)果表明，F(xiàn)e-Al金屬間化合物及其復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐熱腐蝕及沖蝕磨損性能。圖6a，b分別為高速電弧噴涂Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2復(fù)合涂層的截面形貌，可見復(fù)合涂層與基體是良好地機械嵌合，同時還存在著一定的冶金結(jié)合，因此結(jié)合強度較高。圖7a，b分別是對Fe-Al/WC復(fù)合涂層中不同區(qū)域的TEM分析結(jié)果。由于冷卻速度不同，涂層的扁平顆粒內(nèi)部以亞微晶和微晶為主，在局部區(qū)域出現(xiàn)納米晶結(jié)構(gòu)，同時發(fā)現(xiàn)存在少量非晶態(tài)相；晶粒內(nèi)部位錯密度較高。

圖6 Fe-Al/WC涂層(a)和Fe-Al/Cr3C2涂層(b)扁平顆粒內(nèi)部的超細(xì)組織SEM照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of flat particles in Fe-Al/WC and Fe-Al/Cr3C2 coating

圖7 Fe-Al/WC復(fù)合涂層中不同區(qū)域的TEM照片F(xiàn)ig.7 TEM micrographs of different areas of Fe-Al/WC coating

圖8為在實驗室中模擬實際工況對高速電弧噴涂Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2復(fù)合涂層進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗的測試結(jié)果。圖8a為復(fù)合涂層在不同溫度下的磨損率曲線，F(xiàn)e-Al/WC復(fù)合涂層的磨損率在室溫、高溫時均為最低，表明該涂層具有優(yōu)異的高、低溫耐磨性能。圖8b為Fe-Al/Cr3C2復(fù)合涂層在650 ℃下的熱腐蝕實驗結(jié)果，其耐熱腐蝕性能明顯優(yōu)于基體，尤其在高溫條件下。高速電弧噴涂Fe-Al金屬間化合物及其復(fù)合涂層(Fe-Al/WC、Fe-Al/Cr3C2)，在高溫條件下均發(fā)生氧化反應(yīng)，但在氧化過程中，Al原子向涂層表面擴散形成Al元素富集區(qū)，并與O反應(yīng)生成保護性的Al2O3膜，阻止了涂層的進(jìn)一步氧化，從而延緩了基體受熱腐蝕破壞的進(jìn)程。

圖8 Fe-Al/WC復(fù)合涂層不同溫度下的磨損率(a)和Fe-Al/Cr3C2復(fù)合涂層650 ℃下的腐蝕動力學(xué)曲線(b)Fig.8 Wear rate of Fe-Al/WC coating under different temperature(a) and corrosion kinetics of Fe-Al/Cr3C2 coating at 650 ℃(b)

裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室研制開發(fā)的高速電弧噴涂Fe-Al金屬間化合物及其復(fù)合涂層已應(yīng)用于大型艦船鍋爐管道的受熱面，同時應(yīng)用到電廠包括鍋爐水冷壁在內(nèi)的“四管”防護領(lǐng)域中。2004年6月，利用高速電弧噴涂技術(shù)對內(nèi)蒙古海勃灣電廠高溫省煤器進(jìn)行噴涂防護(見圖9)，由于省煤器主要承受煙氣中固體粒子的沖蝕磨損，噴涂材料選取FeAl-Cr3C2粉芯絲材，截止到2010年12月省煤器運轉(zhuǎn)正常。

5.2 納米電刷鍍防腐耐磨涂層技術(shù)

再制造技術(shù)重點實驗室成功地將納米材料與電刷鍍技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)了納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)。它是在常規(guī)電刷鍍鍍液中加入一種或幾種納米顆粒，通過高能機械化學(xué)法使納米顆粒均勻分散并穩(wěn)定懸浮，刷鍍過程中納

圖9 內(nèi)蒙古海勃灣電廠高溫省煤器噴涂前后對比圖Fig.9 Pictures of high temperature economizer before and after being spray coated

米顆粒與基質(zhì)金屬鎳發(fā)生共沉積，從而得到彌散分布著硬質(zhì)納米顆粒的復(fù)合刷鍍層，提高了基體材料的防腐性能。該技術(shù)可以對腐蝕的飛機蒙皮進(jìn)行快速修復(fù)?？哲娔硰S將納米電刷鍍技術(shù)用于進(jìn)口飛機發(fā)動機壓氣機葉片的修復(fù)與再制造，已創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益超過5 000萬元。中國民航北京維修基地將電刷鍍技術(shù)用于飛機修復(fù)，先用旋片噴丸技術(shù)在修復(fù)部位造成壓應(yīng)力，然后再刷鍍低氫脆鎘，成功修復(fù)了波音、三叉戟、子爵號等各種機型飛機。

5.3 非晶態(tài)合金化學(xué)鍍層防腐技術(shù)

非晶態(tài)合金化學(xué)鍍層技術(shù)是一種在不加外電流的情況下，利用化學(xué)還原的方法使鎳陽離子還原成金屬鎳并沉積在催化金屬表面上的方法。該技術(shù)通過控制磷含量得到的非晶態(tài)鍍層致密、孔隙少，耐腐蝕性能優(yōu)于電鍍層。非晶態(tài)鍍層與不銹鋼在幾種不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率對比如表1所示。

表1 非晶態(tài)鍍層與不銹鋼腐蝕速率對比Table 1 Comparison of corrosion rate for amorphous coating and stainless steel

由表1可見，非晶態(tài)鍍層的耐腐蝕性能明顯優(yōu)于不銹鋼材料。由于非晶態(tài)鍍層無晶界，不存在晶界腐蝕，因而抗腐蝕性能特別優(yōu)異。非晶態(tài)合金強化鍍層幾乎不受堿液、中性鹽水、淡水和海水的腐蝕。鍍層在3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))鹽水中的腐蝕速度只有1.21 μm/a。在海水或鹽水條件下，零件表面如果沉積40～50 μm厚的鍍層進(jìn)行保護，可以確保零部件20～30 a不腐蝕。目前該技術(shù)已經(jīng)用于解決兩棲裝備的腐蝕防護問題。

5.4 納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)

納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)是將固態(tài)物質(zhì)涂(鍍)于摩擦界面，起到固體潤滑作用，以降低摩擦，減少磨損，同時具有防止腐蝕的作用。納米固體薄膜減摩防腐技術(shù)特別適用于解決特殊工況條件下的潤滑和防腐難題[12]。

添加納米Al2O3后，固體潤滑干膜的磨損體積減小，添加比例越大，磨損體積越小，高添加比例的潤滑干膜比普通潤滑干膜磨損體積減少了3～5倍，鹽霧腐蝕試驗>100 h。

納米固體潤滑膜已在兩棲裝甲車輛的部件上進(jìn)行了應(yīng)用。

5.5 納米防腐涂料及涂裝技術(shù)

采用納米材料合成高性能無機硅酸鹽樹脂，并研制成功了有機硅改性水性無機硅酸鹽富鋅涂料，將其作為鋼結(jié)構(gòu)長效防腐底漆。針對不同環(huán)境，應(yīng)設(shè)計綜合保護涂層體系[13]。

該技術(shù)用于發(fā)射塔部分功能區(qū)的腐蝕防護。經(jīng)應(yīng)用考核，漆膜防護性能優(yōu)異，涂層完好如新，無任何粉化、腐蝕銹斑等損壞現(xiàn)象發(fā)生。對微納米鋅粉/磷酸鹽無機自干防腐底漆進(jìn)行了性能測試，涂層性能良好。在核潛艇腐蝕嚴(yán)重的內(nèi)倉地板和洞庫海水管道上進(jìn)行了涂裝應(yīng)用考核試驗，有機硅改性水性無機硅酸鹽富鋅涂料通過1 000 h的鹽霧試驗，防腐蝕效果良好。

6 結(jié) 語

(1)黨的十八大提出建設(shè)生態(tài)文明，裝備再制造工程符合國家的發(fā)展戰(zhàn)略。國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃確定以科學(xué)發(fā)展為主題，以加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式為主線。再制造產(chǎn)業(yè)已成為我國的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，成為節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)的重要組成。

(2)腐蝕控制的好與壞將直接決定裝備及其基礎(chǔ)設(shè)施的壽命，以往裝備的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用、維護幾個階段，彼此之間是相互獨立，這樣造成了腐蝕控制問題不能得到系統(tǒng)考慮。腐蝕控制是一項重大的系統(tǒng)工程，同時是一項長期的任務(wù)，需要結(jié)合我國管理和技術(shù)現(xiàn)狀，按照全壽命周期理論，統(tǒng)籌規(guī)劃裝備的設(shè)計、研制、生產(chǎn)、使用、維修及再制造各階段，制定符合中國國情的腐蝕控制戰(zhàn)略。這個戰(zhàn)略計劃必須站在國家的高度，制定裝備及基礎(chǔ)設(shè)施腐蝕控制的目標(biāo)、方法和措施，對腐蝕控制提供具體指導(dǎo)。

(3)從以往的防腐蝕工程實踐來看，必須嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，需要制定統(tǒng)一的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的制定可以讓整個防腐業(yè)做到標(biāo)準(zhǔn)立業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)興業(yè)，從而提升行業(yè)整體水平。同時，在應(yīng)對國際貿(mào)易技術(shù)壁壘方面，我們應(yīng)通過原始創(chuàng)新、綜合集成創(chuàng)新、引進(jìn)消化再創(chuàng)新等創(chuàng)新模式，不斷提高自身防腐蝕技術(shù)水平，加強信息交流和共享，制訂科學(xué)的、先進(jìn)的、具有國際水平的標(biāo)準(zhǔn)，提高防腐蝕行業(yè)在國際市場的競爭力，將防腐蝕行業(yè)做大、做強。

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