文| 閆媛媛1,2
1. 西安建築科技大學，陝西 西安 710055；2. 渭南師範學院，陝西 渭南 714000
金屬及其合金在艦船防腐中應用廣泛，特別是與外部海水直接接觸的部分，作為防腐蝕以及具有強硬度和韌性要求的結構材料。除此之外，金屬及其合金因其優越的耐腐蝕、耐磨性能，作為重要的塗層材料而被廣泛應用於艦船上。隨著艦船材料應用要求的提高，複合材料應運而生，其中既可以抗高溫又具有優良耐腐蝕、耐磨性能的金屬陶瓷材料由此誕生，並逐漸被應用於有高溫、耐腐蝕等要求的發動機、內燃機上，這些部位對於承受熱量和機械性能具有特殊要求。金屬陶瓷複合材料不僅具有優良的耐腐蝕性能，同時也繼承了金屬的韌性好，陶瓷的耐高溫的雙重性能，使得金屬陶瓷複合材料受到廣泛青睞。
隨著現代艦船工業對溫度、壓力等提出更高要求，金屬及其合金塗層也日益受到青睞。金屬防護塗層的研究是從1960 年之後開始進行正式研究，最先研究的對象是MCrAlY，隨著研究的深入，該產品的工業化成為現實，並因其優良的耐高溫性能和耐腐蝕性能而被廣泛接受和應用。
目前研究應用最廣泛的是鈷鎳銫鋁合金塗層，這種合金不僅具有金屬及其合金的優良特點，還具有成分可控、材料本身性質穩定且塗層接觸界面也非常穩定的特點，高溫時能夠形成性質穩定的氧化物，例如氧化鋁，有利於被保護材料的防腐。該材料本身成分易於調整，可以依據不同的需求對金屬合金成分進行調整，以改善塗層的性能。金屬塗層的改進方法多種多樣，除了上述成分調整方法外，還可以通過控制擴散方法來控制合金的作用順序，從而滿足航空航天或者其他方面對於金屬合金的需求。金屬塗層的改進方法同樣包括工藝改進，工藝改進能夠為塗層提供滿足使用性能的空間。但隨著艦船材料對於塗層使用要求的進一步提高，僅憑上述方法得到的金屬及其合金塗層已經難以滿足實際需求，因此開發一種新型的耐高溫且耐腐蝕性良好的塗層材料顯得十分迫切。
隨著對於塗層研究的進一步深入，人們不再局限於對塗層本身的研究，而是將艦船材料和塗層作為一個系統研究的對象來研究，其原因在於對於塗層的研究應同時考慮應用的船體材料以及它們相互作用的影響，這樣才能兼顧艦船材料的功能性以及使用環境的需求，陶瓷塗層因其特殊的組成可以實現不考慮基體而單獨進行研究，因此人們開始研究耐腐蝕性好且可以實現剝離基體而單獨進行研究的陶瓷塗層。
學者們對陶瓷塗層與其他材料的耐腐蝕性能做了比較，數據如圖1 所示。由圖1 可得出，陶瓷材料具有優良的耐腐蝕性能。表1 為對應參數表。
陶瓷塗層具有非常多的優良特點，例如高硬度、高化學穩定性、高耐腐蝕性等。陶瓷塗層擺脫了對於基體研究的限制，能夠單獨作為個體研究，且不影響其使用性能，不受基體尺寸限制，且陶瓷損壞後易於得到有效修復，這些都是普通塗層材料難以具有的性質，但是陶瓷材料也具有其缺點，如韌性不及金屬材料，塗覆在基體之後容易隨著艦船變形或者碰撞而剝落。
普通的金屬合金材料塗覆在艦船表面容易因摩擦、電位腐蝕、海水腐蝕等情況導致塗層脫落，從而失去塗層的作用，而金屬陶瓷塗層除了具有金屬的韌性同時也具有陶瓷本身的化學惰性能夠有效阻隔海水、電位帶來的腐蝕。
金屬陶瓷複合塗層技術經歷了2 個階段：首先是兩層塗層階段，兩層塗層由表面陶瓷塗層和內部金屬塗層組成，外層陶瓷塗層起表面隔離的目的，內部金屬塗層起保護作用，塗層能夠有效阻隔海水或者微生物帶來的侵襲，但兩層塗層也有其固有缺陷，如陶瓷塗層和金屬塗層直接接觸會帶來的膨脹係數不均勻甚至因此導致塗層碎裂的問題、也會因導熱係數不同而導致溫度傳導問題。為克服此類問題，研究者們使用了中間層這一過度體來連接金屬和陶瓷塗層，保證傳熱和膨脹的順暢性，克服了塗層直接接觸的固有問題，緩解了熱傳導問題及膨脹剝落問題。影響金屬陶瓷塗層的因素有很多，其中最重要的是金屬陶瓷塗層材料的選取以及噴塗技術的選取，同時這些決定因素也是金屬陶瓷塗層能夠得到廣泛應用的關鍵。影響金屬陶瓷塗層耐腐蝕的因素主要有：材料中摻雜元素的選取比例、粘結層的厚度等，例如就粘結厚度來說，能夠顯著影響艦船材料的耐腐蝕性能，鈷鎳鋁合金在最優厚度下，能夠緩解應力集中而導致的塗層破裂問題，粘結層厚度的選擇能夠決定對內層-艦船材料和對外層-接觸層的元素供給量（一般為鋁元素，粘結層對外提供高鋁，高鋁具有非常好的耐腐蝕的性能）。隨著研究進一步加深，人們逐步推導出了最優過渡層厚度，該過渡層既能緩解因應力過度集中而導致的塗層剝落，又能實現對內對外元素供給，起到耐腐蝕的作用。摻雜元素的選擇在於艦船材料的實際需求，根據實際需求對金屬陶瓷塗層進行成分調節，可以實現艦船材料的多種功能。值得一提的是，研究證明具有優良性能的金屬陶瓷塗層並不是簡單的兩層塗覆，而是充分考慮了應力、成分、隔熱性能、耐腐蝕性等多種因素的機械性能複合，這也是與以往研究重大不同的地方。
關於金屬陶瓷塗層的應用在國內進行了廣泛的研究，開發出了具有減震降噪耐腐蝕性能的金屬陶瓷塗層，該塗層採用多層複合結構，在結構和系統上對噪音實現衰減，具有優良的耐高溫、耐海水腐蝕、耐船艙內煙氣和各種腐蝕介質腐蝕的性能。表2 為對應參數表。
對於金屬陶瓷塗層的耐腐蝕性而言，製備工藝同樣至關重要。研究表明將高阻尼材料製備成具有線性和粉末結構的材料，並採用表面處理技術塗覆在艦船表面能夠更加容易實現複合塗層的耐腐蝕性。除了上述影響金屬陶瓷複合塗層耐腐蝕性的因素外，噴塗技術也是影響金屬陶瓷應用的重要因素。目前應用較多的是電子束物理氣相沉積法、火焰噴塗、等離子噴塗、超音速火焰噴塗、爆炸噴塗等熱噴塗方法，熱噴塗方法能夠得到具有緻密結構、成分均勻等優點的複合塗層，但是也難以擺脫噴塗設備價格昂貴、噴塗過程中多氣泡等問題，這對於艦船材料而言，是非常致命的。因此對於熱噴塗技術而言，改進其工藝，有效提升噴塗效率、降低噴塗孔隙率，優化耐腐蝕性能是熱噴塗技術研究的關鍵。冷噴塗技術是近年興起的新型噴塗技術，它克服了熱噴塗技術價格昂貴、噴塗過程無較大熱效應等缺點，是近年來爭相研究的噴塗技術。但是冷噴塗技術得到的塗層的耐腐蝕性並不優於熱噴塗技術，原因可能在於冷噴塗技術難以得到緻密均勻的噴塗複合層，因此提高金屬陶瓷耐腐蝕性，噴塗技術也是關鍵。
影響金屬陶瓷防腐性能的因素多種多樣，例如塗層層數、塗層組成、塗層厚度、噴塗技術等，在考慮塗層塗覆時應考慮基體材料本身的性能，取得最優重要參數比是關鍵，也是探索金屬陶瓷材料開發的重要方向，此外金屬陶瓷塗層的噴塗技術也是影響其耐腐蝕性能的重要因素，尋求更加合適的噴塗技術將是未來研究的關鍵。
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