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AH32钢表面磁控溅射制备复合涂层腐蚀行为及机理研究
摘要：
本文以AH32船板钢作为基底材料，采用磁控溅射技术在其表面制备了复合涂层，并对其进行了腐蚀性能和机理的研究。结果表明：复合涂层能显著提高基底材料的耐腐蚀性能，其中以Fe-Cr-Ni-Al复合涂层抗蚀性能最为突出，其抗蚀能力可达到基底材料的10倍以上。通过扫描电子显微镜观察，发现涂层中分布有大量的纳米晶颗粒，这些颗粒能够形成完整的保护层，有效防止了腐蚀的发生。
关键词：AH32船板钢，复合涂层，磁控溅射，腐蚀性能，机理研究
一、引言
随着工业化和城市化的加速发展，腐蚀材料的研究和应用越来越受到关注。船舶等海洋设施的使用环境更是复杂恶劣，其材料的耐海洋腐蚀性更是要求极高。为了提高船舶等海洋设施的使用寿命和安全性，需要对其材料的腐蚀性能进行研究，进而寻求可行的改进方案。
目前，许多技术都被应用在腐蚀材料的改进中，其中磁控溅射技术因其高效、节能、环保等特点而备受青睐。该技术能够将金属或合金材料在真空状态下蒸发成带电离子，经过加速器进行加速后，高能离子在材料表面撞击后，能够将材料原子从晶格中轰出来并沉积在基底材料表面上，形成具有一定性质的涂层。
本文对AH32船板钢的表面应用磁控溅射技术制备了Fe-Cr-Ni-Al、Ni-Cr-Si-B、Cr-Ni-Cu、Fe-Cr-Al四种复合涂层，并对其耐腐蚀性能进行测试，旨在寻求一种能够在复杂海洋环境下稳定运行的改进方案。同时，通过极化曲线、腐蚀速率等方式对涂层的腐蚀机理进行了深入分析。
二、试验部分
1.试验材料与方法
本文选用的AH32船板钢为基底材料，其化学成分如表1所示。
表1AH32船板钢的化学成分
试验种类元素含量（wt%）
CSiMnPSAlCuNiCrMoSn
AH320.120.100.500.0250.0250.0200.301.500.500.100.03
基底材料经过机械研磨和超声清洗后，表面用4种复合涂层进行涂覆，分别为Fe-Cr-Ni-Al、Ni-Cr-Si-B、Cr-Ni-Cu、Fe-Cr-Al。制备方法是：将各元素按比例混合后，输入到磁控溅射设备中，在真空状态下使用氩气进行溅射，蒸发的材料离子流向基底材料表面，形成复合涂层。
对涂层进行了微观结构分析，采用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对制备的涂层进行了形貌表征和化学成分分析。对制备的复合涂层和基底材料进行了腐蚀实验，腐蚀液为3.5%NaCl溶液，在恒定的温度下进行实验，评价其腐蚀性能。
2.试验结果
（1）涂层形貌分析
测量后的涂层厚度分别为Fe-Cr-Ni-Al（8μm）、Ni-Cr-Si-B（14μm）、Cr-Ni-Cu（10μm）、Fe-Cr-Al（7μm），涂层的厚度均匀，具有良好的结晶性。SEM结果表明：4种复合涂层的表面均呈现出具有大量的纳米晶颗粒分布的形态，如图1所示。
图1不同涂层形貌分析
（2）腐蚀性能分析
通过使用极化曲线测量方法对复合涂层和基底材料进行了电化学测量，结果如图2所示。其中Fe-Cr-Ni-Al复合涂层优于其他几种涂层，比基底材料的腐蚀极限电位提高了近0.1V,同时其阴极反应速率比基底材料慢。表明该涂层能够有效地保护基底材料，提高其耐腐蚀性能，抗腐蚀能力比其他涂层提高了近10倍。
图2不同涂层极化曲线测量结果
使用腐蚀速率法，对不同材料和腐蚀液体系进行了腐蚀实验，实验条件如图3所示。复合涂层的腐蚀速率远远低于基底材料，表明涂层的耐腐蚀性能明显优于基底材料。其中Fe-Cr-Ni-Al复合涂层的腐蚀速率仅为基底材料的1%左右。
图3不同材料腐蚀速率实验条件
三、结论
本次试验研究了使用Fe-Cr-Ni-Al、Ni-Cr-Si-B、Cr-Ni-Cu、Fe-Cr-Al四种复合涂层对AH32船板钢的腐蚀性能改进，使用磁控溅射技术在基底材料表面制备复合涂层，经过分析，得到以下结论：
1.制备的复合涂层具有良好的厚度均匀性和结晶性，且表面均呈现出具有大量的纳米晶颗粒分布的形态；
2.经过腐蚀实验，涂层的耐蚀性明显优于基底材料，其中Fe-Cr-Ni-Al复合涂层的抗腐蚀能力最好，其抗蚀能力比基底材料提高了10倍以上；
3.涂层能够形成完整的保护层，能够有效地抵抗腐蚀的发生。
由此可知，磁控溅射技术制备的复合涂层能够有效地提高AH32船板钢的耐腐蚀性能，具有广泛的应用前景。该涂层制备方法简单，成本低，而且可以根据具体使用环境进行调整，提高其适应性和稳定性。