潘波濤，李園園，王錦霞，謝宏偉

(1.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000；2.東北大學(xué) a.冶金學(xué)院，b.理學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 前 言

在地球水、氧和酸性氣體的大氣環(huán)境中，金屬的腐蝕不可避免[1,2]。近些年隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國海洋油氣田平臺、能源運輸管道等不銹鋼、鑄鐵等金屬材料的使用量大增，金屬腐蝕的防護壓力凸顯[3-5]。作為金屬腐蝕防護的常用涂層材料，金屬鋁表面能夠天然地形成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定而致密的氧化鋁膜，且若有破損亦能很快修復(fù)再次形成完整的氧化鋁膜，自愈性好，能很好地保護金屬，防止腐蝕[6]。但這層天然氧化鋁膜的存在也會導(dǎo)致金屬鋁涂層與被保護基體結(jié)合不牢固，因此金屬鋁防腐涂層的制備方法尤為關(guān)鍵。本文對鋁防腐涂層制備方法的研究進展進行綜述，為高性能、低成本鋁涂層制備技術(shù)的開發(fā)提供借鑒。本文根據(jù)涂層鋁的來源，將鋁防腐涂層的制備方法分為物理法和化學(xué)法。物理法主要對熱浸鍍法、噴涂法和物理氣相沉積法等進行論述?；瘜W(xué)法以論述離子液體電化學(xué)法制備鋁涂層為主。

1 物理法制備鋁防腐涂層

1.1 熱浸鍍法

熱浸鍍法是不銹鋼、鑄鐵板表面鋁防腐涂層的常用制備手段之一，已成功應(yīng)用于結(jié)構(gòu)簡單、大型鋼制工件鋁涂層的制備，大大提高了工件的耐蝕性。熱浸鍍法原理及鋁涂層結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。熱浸鍍法工藝流程為：不銹鋼、鑄鐵金屬板表面預(yù)處理(除銹、脫脂、水洗、酸洗、水洗、助鍍、干燥)→浸鍍→冷卻。將預(yù)處理后的金屬板浸在高溫熔融鋁或鋁合金浴中，液態(tài)鋁與基體之間相互擴散形成鋁合金，實現(xiàn)涂層與金屬基體的連接。鋁涂層致密，能有效防止金屬板腐蝕。通常在鋁液中加入合金元素(例如硅)還能進一步提高鋁涂層的耐腐蝕性能。該方法制得的鋁涂層與基體之間會形成以化學(xué)鍵連接的鐵-鋁金屬間化合物過渡層，是研究的重點考察對象，對鋁涂層防腐性能的影響利弊兼有。

Wang等[7]發(fā)現(xiàn)在鋼基體上熱浸鍍時，純鋁層厚度隨著初始滲鋁溫度的升高和時間的延長而減小，而涂層與鋼基體間的Fe-Al金屬間化合物過渡層的厚度卻隨著鍍液溫度升高和時間延長而增加，涂層到鋼基體的相組成分別是頂部一層較薄的Al2O3，其次是較薄的FeAl3層，然后是一層厚的Fe2Al5，最后是鋼基體，形成的合金過渡層大大提高了鋁涂層的硬度。Lin等[8]在對片狀石墨鑄鐵和球墨鑄鐵進行熱浸鋁時發(fā)現(xiàn)，鍍鋁后后者較前者更耐高溫氧化。Tsaur等[9]對商用310不銹鋼熱浸鍍鋁層的耐高溫氯化鈉腐蝕行為進行了研究，發(fā)現(xiàn)氯化/氧化循環(huán)反應(yīng)腐蝕過程是通過鋁涂層中的空隙滲透到不銹鋼基體中導(dǎo)致鋁涂層退化的，一旦鋁涂層有裂紋，涂層保護作用將失效。Wang等[10]將低碳鋼在加入了硅的鋁熔體中浸鍍，制得了含硅的鋁鍍層，其顯示出優(yōu)秀的耐NaCl高溫腐蝕性。同樣，Han等[11]在低活化鋼表面制得的含硅鋁鍍層作為熱核試驗反應(yīng)堆氫/氚滲透屏障材料，將氫滲透速率降低了幾個數(shù)量級。Abro等[12]研究含硅鋁涂層的相組成時發(fā)現(xiàn)，碳鋼在Al-1%(原子分?jǐn)?shù))Si熔池中熱浸鍍形成的鋁涂層由含少量Si的Al表層、薄的Al3Fe層和厚的Al5Fe2合金柱狀組織構(gòu)成。Si在Al5Fe2合金層中的溶解阻滯了涂層/基體界面的擴散，涂層表現(xiàn)出良好的耐蝕性。但Chang等[13]研究低碳鋼、SUS310和鐵錳鋁鉻硅碳合金表面熱浸鍍制備的鋁涂層耐900 ℃ NaCl熱腐蝕性能時發(fā)現(xiàn)，低碳鋼和SUS310表面形成的過渡層具有更好的自愈合能力及耐熱腐蝕性能，但由于鋁在鐵錳鋁鉻硅碳合金中具有高溶解度，鋁與合金基體在過渡層的相互擴散導(dǎo)致涂層鋁迅速稀釋，且有復(fù)雜的相變，在鐵錳鋁鉻硅碳合金表面采用熱浸鍍法制備的鋁涂層的耐蝕性則相對較差。綜上，采用熱浸鍍法制備鋁涂層，控制鋁涂層與基體金屬之間的過渡層的厚度及其物相組成是獲得高性能鋁涂層的關(guān)鍵。

1.2 噴涂鍍鋁法

1.2.1 熱噴涂法

熱噴涂法也是在不銹鋼、鑄鐵金屬板表面鍍鋁的方法之一。區(qū)別于采用熱浸鍍法時工件整體要浸在液態(tài)鋁或鋁合金熔液中，熱噴涂法則是在利用熱源將絲狀或粉末狀的鋁加熱到半熔融或熔融狀態(tài)的同時，借助壓縮空氣以一定速度噴射到預(yù)處理過的基體表面沉積形成鋁涂層。根據(jù)所使用的熱源將該方法分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂等。熱噴涂技術(shù)適合鋁復(fù)合涂層的制備，效率高，可根據(jù)需要進行局部鋁涂層制備。但該技術(shù)需要以再加工的鋁或合金絲材、粉末為原料；且由于是低沖擊能量，氣體滯留、熔滴收縮和快速凝固等不可避免地使熱噴涂技術(shù)制備的涂層多氣孔，涂層質(zhì)量低。因此氣孔及其控制對鋁涂層防腐能力的影響是該技術(shù)的研究重點。

(1)火焰噴涂法 火焰噴涂法是將氧氣和可燃性氣體從各自氣道高速噴出，在噴嘴處混合、燃燒以產(chǎn)生高溫火焰而將鋁材料加熱到半熔化或者熔化，并以一定速度噴射到板材表面形成鋁涂層的技術(shù)。根據(jù)噴涂用鋁材料形態(tài)的不同，可分為絲材火焰噴涂和粉體火焰噴涂，二者的原理示意圖如圖2、圖3所示。火焰噴涂制得的鋁涂層具有較好的防腐能力，但由于火焰噴涂焰流速度低于100 m/s，該方法制得的鋁涂層與基體的結(jié)合強度較低，不能承受較大的載荷。此外，火焰噴涂的鋁粉末材料在飛行的同時被加熱，加熱時間不長，導(dǎo)致熔化程度不一，形成的鋁涂層組織不均勻，孔隙率高。因此制備致密的鋁復(fù)合涂層是火焰噴涂方法研究的重點。

Zhang等[14]在Q235鋼表面進行火焰噴涂制備鋁涂層，發(fā)現(xiàn)鋁涂層使Q235鋼具有較好的耐鹽水[0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液]腐蝕性，但涂層微觀可見明顯的孔洞。Chaliampalias等[15]在低碳鋼表面采用火焰噴涂沉積了均勻片狀的鋁涂層，發(fā)現(xiàn)高溫下形成的厚鋁涂層能為基體在海洋環(huán)境中提供保護，但其與基體的黏附性較低，且長時間氧化后涂層會分層，從而失去對基體的保護。為降低涂層孔隙率，提高涂層的硬度及耐磨性，Czuprynski[16]通過火焰噴涂法在建筑鋼S235J0基體上制備了碳增強的鋁復(fù)合涂層。Huang等[17]制備了氧化鋁碎片均勻分布的致密鋁-氧化鋁復(fù)合涂層，氧化鋁的加入顯著提高了涂層的耐蝕性和耐磨性，且完整的氧化鋁骨架能阻止腐蝕的進一步發(fā)展。

(2)電弧噴涂法 電弧噴涂法的工作原理如圖4所示。該方法通過送絲裝置將鋁絲分別送入連接電源正負(fù)極的導(dǎo)電嘴內(nèi)，當(dāng)穿過導(dǎo)電嘴的2根鋁絲接觸時形成短路產(chǎn)生電弧，電弧熱量將端部接觸的絲材融化，并通過壓縮空氣氣流將熔化的金屬噴射出、霧化，霧化的顆粒以180～335 m/s的速度沖擊到預(yù)先制備好的金屬板表面形成鋁鍍層。相較于火焰噴涂，電弧噴涂采用壓縮空氣的方式使霧化的顆粒沖擊到基體表面形成噴涂層，電弧噴涂涂層與基體的結(jié)合強度是火焰噴涂的2倍。但由于電弧引起的各種元素的氧化比較嚴(yán)重，涂層往往存在氧化物和氣孔等缺陷，導(dǎo)致涂層質(zhì)量下降。

Chang等[18]采用電弧噴涂法在AISI 1020鋼表面制備鋁涂層，涂層經(jīng)陽極氧化后的耐蝕性和耐磨性明顯提高。Liu等[19]研究了6061鋁合金電弧噴涂封孔鋁涂層的腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)水熱封孔后涂層的耐腐蝕性能得到改善。Han等[20]研究發(fā)現(xiàn)鋁涂層厚度對STS 304的表面形貌幾乎沒有影響，但涂層厚度增加對其耐海水腐蝕性能的提高有利。Abedi等[21]利用該法制得的鋁涂層能夠有效提高低碳鋼的防腐性能，腐蝕液是通過開孔滲透導(dǎo)致鋁鍍層加速腐蝕。Lee等[22]更進一步明確了腐蝕產(chǎn)物α-Al(OH)3能夠堵塞涂層的孔隙，阻止腐蝕液滲透與基體反應(yīng)，進而有效保護基體。此外，F(xiàn)ang等[23]采用電弧噴涂工藝通過添加碳纖維制備了功能性鋁基涂層，該涂層不僅具有良好的抗磨效果，還保持了鋁涂層良好的耐腐蝕性能。

(3)等離子噴涂法 等離子噴涂是近年來發(fā)展起來的一種工藝，相關(guān)研究文獻報道較少，其工作原理如圖5所示。

該方法利用等離子噴槍產(chǎn)生高溫等離子火焰加熱、熔化鋁噴涂材料，熔融或半熔融狀態(tài)的鋁經(jīng)過孔道高壓壓縮后和等離子體一起高速射流噴涂到板材表面形成鋁涂層。常用Ar、He、N2和H2等氣體電弧加熱解離獲得等離子體。由于等離子噴涂的射流速度高達400 m/s，故涂層與基體具有較高的結(jié)合強度，而且噴涂進行過程中等離子噴涂的射流中心溫度最高可達33 000 K，鋁熔化程度高，制得的涂層中的氧化物和雜質(zhì)含量少，孔隙率低。但等離子噴涂設(shè)備投資、成本高，對工作氣的純度要求高，而且由于受噴槍尺寸及噴距的限制，不適用小孔徑孔內(nèi)表面噴涂。Jin 等[24]對比了等離子噴涂和氧乙炔火焰噴涂制備的鋁涂層，發(fā)現(xiàn)等離子噴涂的顆粒到達基體時會完全變形和擴散，制備的鋁涂層組織更致密，顯微硬度和結(jié)合強度更高，耐蝕性更好。但Tsujikawa等[25]研究了等離子熱噴涂純鋁涂層對Mg-Li合金板耐蝕性的影響，發(fā)現(xiàn)鋁涂層表面仍存在較多各自獨立的黑色小孔。采取措施將鋁涂層輕微冷軋以封閉表面與基體之間的微通道后，涂層的耐蝕性能提高。

1.2.2 冷噴涂

冷噴涂是為避免熱噴涂制備鋁涂層時的氧化問題而開發(fā)的，其原理如圖6所示。該方法將氮氣、空氣和各種混合氣體壓縮至3.5 MPa，通過加熱線圈將壓縮的氣體加熱至一定溫度后引至收斂-發(fā)射噴嘴，此時速度急劇增加至超聲速，該高速、高溫工作氣體將注入到噴嘴喉部的鋁粉加熱、加速，并使其以高速撞擊到基體表面，撞擊使鋁粉產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性形變，進而沉積在基體表面形成鋁涂層。因金屬鋁顆粒在噴涂過程中的溫度低于其熔點，故稱為冷噴涂。噴涂過程中鋁顆粒不熔化，且氣體/顆粒噴射流的溫度相對較低，適用于熱敏基材等涂層制備。該噴涂方式的缺點是易產(chǎn)生孔隙，為降低該不利因素的影響，通常要在鋁粉顆粒中添加微米級的硬質(zhì)顆粒，有利于增加金屬變形并降低涂層的孔隙率，提高涂層的耐腐蝕性能。

Yu等[26]采用冷噴涂在鋁基體表面制備了Al5056/In718復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)In718的加入降低了涂層的孔隙率；與純Al 5056涂層相比，該復(fù)合涂層具有較高的腐蝕電位和較低的腐蝕電流，為鋁基體提供了有效保護。Wang等[27]在鋁基體表面通過冷噴涂制備了Al 5056合金涂層和SiCp/Al 5056復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)SiC顆粒的加入使涂層更加致密，增強相分布均勻，涂層的表面粗糙度和界面形貌均得到了改善，2種涂層對鋁基體均起到了防腐保護作用，且SiCp/Al 5056復(fù)合鍍層的耐蝕性優(yōu)于Al 5056鍍層。Lahiri等[28]以氣相霧化Al90.05Y4.4Ni4.3Co0.9Sc0.35(%，原子分?jǐn)?shù))粉末作原料，在6061鋁表面通過冷噴涂沉積了均勻致密的鋁基玻璃涂層，發(fā)現(xiàn)與6061 Al基體相比，涂層的耐磨性提高了600%，涂層的耐蝕性是6061鋁基體的5倍。此外，Zhang等[29]采用冷噴涂法在AZ91鎂合金基體上制備了含碳納米管和不含碳納米管的鋁涂層，發(fā)現(xiàn)碳納米管抑制了涂層裂紋的擴展，填補了孔隙，使涂層的耐蝕性更好；另外，碳納米管的自潤滑和增強作用顯著降低了涂層的磨損率和摩擦系數(shù)。

1.3 物理氣相沉積法

物理氣相沉積(PVD)法是在真空條件下，將鋁源(固體或液體)氣化成氣態(tài)分子、原子或部分電離成離子，并經(jīng)過低壓氣體或等離子體過程，在基體材料表面沉積鋁薄膜涂層的方法，主要包括磁控濺射法、真空蒸鍍法等。

1.3.1 磁控濺射法

磁控濺射法是在充滿氬氣的惰性氣氛下，通過磁控輝光放電使氬氣電離成氬離子(Ar+)，氬離子經(jīng)電場加速轟擊到鋁或鋁合金制成的陰極靶材表面，鋁和合金元素被濺射出來在基體表面沉積。磁控濺射原理如圖7所示。磁控濺射法能夠在不同的導(dǎo)電材質(zhì)基體表面形成鋁涂層，制得的涂層致密且耐蝕性好。但其要求在真空下進行，且基體必須導(dǎo)電，制得的鋁涂層的組成、成分不易控制。

Huang等[30]采用磁控濺射在石油套管鋼N80表面制備了低溫滲鋁涂層，發(fā)現(xiàn)鋁涂層與基體能形成由FeAl3、Fe2Al5和Fe3Al組成的梯度鐵鋁化合物涂層，涂層致密、連續(xù)性好；濺射過的石油套管鋼N80的耐蝕性優(yōu)于未經(jīng)磁控濺射鋁膜的原鋼和滲鋁油套管鋼。Wu[31]在AZ31鎂合金上制備了鋁涂層和鋁/鈦多層涂層，發(fā)現(xiàn)鋁涂層呈現(xiàn)(111)擇優(yōu)取向織構(gòu)，并將這種織構(gòu)以鈦(002)面為模板進行強化從而制備出了鋁/鈦多層涂層，二者均提高了鎂合金的耐蝕性。此外，Mraied等[32]通過磁控濺射法在硅晶片上得到了Al/Al-Mn復(fù)合涂層，增加涂層中Mn的含量可降低涂層的表面粗糙度，增強其耐點腐蝕能力。

1.3.2 真空蒸鍍法

真空蒸鍍法在真空條件下進行。該方法主要采用電阻加熱、感應(yīng)加熱及電子束加熱等將鋁或鋁合金原料加熱，使鋁或合金蒸發(fā)成氣態(tài)沉積在基體表面上形成鋁涂層。在蒸鍍時為使鍍層厚度均勻，被鍍物體是轉(zhuǎn)動的。真空蒸鍍原理如圖8所示。與磁控濺射方法不同，該方法對基體的導(dǎo)電性沒有要求，制備的鋁涂層致密，但其與基體的結(jié)合附著力不高。真空蒸鍍法適合在易與鋁發(fā)生合金化的基體表面制備鋁涂層。

Liu[33]采用真空蒸鍍法在AZ91D鎂合金基體表面制備了鋁涂層，發(fā)現(xiàn)隨著沉積時間的延長，鎂合金表面逐漸形成一層連續(xù)致密的鋁膜，并呈現(xiàn)典型的島狀生長模式，結(jié)合強度高，且耐H3PO4腐蝕。隨沉積時間的延長，鎂合金的耐蝕性提高，但對涂層與基體的結(jié)合強度沒有影響。隨著退火溫度的升高，涂層變得更加均勻，退火樣品的鋁的結(jié)晶度也比未退火樣品的好。此外，Dobruchowska等[34]采用真空蒸鍍法在AISI 4140鋼基體上分別沉積了Al0.9Mn0.1，Al0.8Mn0.2，Al0.5Mn0.5，Al0.8Mn0.1Si0.1和Al0.7Mn0.2Si0.1鋁合金涂層，發(fā)現(xiàn)沉積Al0.8Mn0.1Si0.1合金涂層的基體具有最低的腐蝕速率、最高的擊穿電位，且其坑點再鈍化能力較強。

2 電化學(xué)法制備鋁防腐涂層

盡管采用上述物理法制備鋁涂層相對簡單，但能耗大、成本高，僅適用于大型簡單結(jié)構(gòu)板材及零部件等，對基體材料也有限制。為應(yīng)對小型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和不同金屬基體鋁涂層的要求，開發(fā)出了利用電化學(xué)手段在導(dǎo)電基體上電沉積出鋁涂層的方法，電化學(xué)法制備的鋁涂層十分致密且耐腐蝕性好。電化學(xué)法制備鋁涂層工作原理如圖9所示。研究人員相繼開發(fā)出了有機溶劑電鍍法、無機熔鹽電鍍法和室溫熔鹽電鍍法等電化學(xué)制備鋁涂層方法。

2.1 有機溶劑電鍍法

有機溶劑電鍍法始于20世紀(jì)50年代，發(fā)展出了3個體系：(1)氯化鋁+氫化鋁鋰+醚類及其衍生物。以三氯化鋁-四氫鋁鋰-四氫呋喃(AlCl3-LiAlH4-THF)為代表的有機溶劑中可電沉積出純度為99.99%的鋁涂層；(2)溴化鋁+溴化氫或堿金屬溴化物+烷基苯。以三溴化鋁-甲苯-乙苯(AlBr3-C7H8-C8H10)為代表的有機溶劑中可電沉積出純度為99.5%的鋁涂層；(3)有機鋁化物+芳香烴。以三乙基鋁-氟化鈉[Al(C2H5)3-NaF]為代表的有機溶劑中可電沉積出純度可高達99.9999%的鋁涂層。張守民等[35,36]采用釹鐵硼磁體在氯化鋁和氫化鋁鋰的四氫呋喃-苯溶液及AlBr3和KBr的烷基苯溶液中進行電鍍鋁，結(jié)果表明，均可獲得銀白色、細(xì)晶致密、純度較高、有良好結(jié)合力和防腐蝕性能的鋁鍍層。盡管有機溶劑電化學(xué)沉積鋁涂層法能耗低，不腐蝕基體，制得的鋁涂層純度高、致密，但缺點明顯：首先，3種體系均對水和氧敏感，必須在惰性氣氛保護下進行。第一類有機溶劑易燃易揮發(fā)，還容易吸潮產(chǎn)生鹵化氫類腐蝕性氣體，而且氫化鋁鋰價格較貴；第二類有機溶劑易吸潮形成腐蝕性鹵化氫；第三類有機溶劑中的Al(C2H5)3易自燃，對水敏感，鍍液配制過程復(fù)雜。其次，體系導(dǎo)電性差，鋁沉積速率低。目前該法已經(jīng)很少被研究。

2.2 無機熔鹽體系電鍍法

無機熔鹽體系電鍍法是在熔化的含無機鋁鹽的鹵化物熔鹽電解質(zhì)體系中進行的，該方法相較于有機溶劑熔鹽電解質(zhì)更符合環(huán)保要求，且價格低廉。熔鹽電解質(zhì)可分為3類：(1)氟化物熔鹽體系，如LiF-NaF、NaF-KF、LiF-NaF-KF等；(2)氯化物熔鹽體系，如AlCl3-NaCl、NaCl-KCl、LiCl-KCl、LiCl-NaCl等；(3)溴化物熔鹽體系，如LiBr-KBr-CsBr-AlBr3等。相對而言，氯化物熔鹽電解質(zhì)更廉價，且無毒。無機熔鹽體系電沉積鋁涂層，涂層性能穩(wěn)定、結(jié)合力好、電解質(zhì)溶液可循環(huán)連續(xù)使用，設(shè)備相對比較簡單且靈活性大。但操作溫度通常需要在100 ℃以上，且需要在氬氣或氮氣等惰性氣氛下進行，對環(huán)境要求高，增加了操作難度，能耗高，不易規(guī)?；?。同時該方法對設(shè)備會造成一定的腐蝕，增加了設(shè)備的成本。無機熔鹽體系電鍍法研究的焦點在于制備的鋁涂層的致密性、光潔性及附著力。Li等[37]采用175 ℃ NaCl-NaAlCl4熔鹽體系研究了在玻碳電極上電沉積鋁涂層的電化學(xué)過程，發(fā)現(xiàn)鋁的沉積是通過形核/長大機制實現(xiàn)的，且電流密度決定了涂層形貌，在2～10 mA/cm2電流密度范圍內(nèi)制得的鋁涂層光滑平整。Tripathy等[38]研究了LiBr-KBr-CsBr熔鹽電解質(zhì)中添加AlBr3對鋼基體上電沉積鋁涂層的影響，發(fā)現(xiàn)AlBr3加入量為80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時涂層光潔、厚實、附著力和耐腐蝕性能好。

2.3 室溫熔鹽體系電鍍法

AlCl3能與有機溶劑反應(yīng)生成由相互作用力很小的大體積有機陽離子和小體積陰離子組成的液態(tài)離子體，其在室溫或接近室溫溫度下為液體，故稱為室溫離子液體或室溫熔鹽。與傳統(tǒng)有機溶劑不同，離子液體全部由離子組成，無中性分子。根據(jù)陽離子的不同可分為：(1)鹵化烷基咪唑類，如氯化1,2,2-甲基-3-丙基咪唑(DMPLC)、氯化1-甲基-3-乙基咪唑(MEIC)等；(2)鹵化烷基吡啶類，如氯化n-丁基吡啶(BPC)、溴化乙基吡啶(EPB)等；(3)氯化烷芳基銨鹽類，如氯化三乙基苯銨(TEPAC)、氯化二甲基乙基芐基銨、氯化三甲基苯銨(TMPAC)、氯化三甲基芐基銨(BTMAC)等。

室溫熔鹽體系電鍍法是在上述室溫離子液體中電化學(xué)制備鋁涂層的方法，可在不同導(dǎo)電和復(fù)雜結(jié)構(gòu)基體上進行。范春華等[39]按照AlCl3∶EMIC摩爾比為2∶1配制AlCl3-EMIC離子液體，在60 ℃下，研究了電流密度對金屬銅表面電沉積鋁涂層的附著力的影響時，發(fā)現(xiàn)電流密度為5～25 mA/cm2時鋁鍍層均勻致密且附著力好，而當(dāng)電流密度超過30 mA/cm2時，鍍層顆粒尺寸大且附著力差。韓文生等[40]采用同樣的離子液體在NdFeB永磁材料上電沉積鋁涂層，發(fā)現(xiàn)配制的離子液體隨著AlCl3∶EMIC摩爾比的增加，鍍層晶粒尺寸減小，可以獲得晶粒細(xì)小的鍍層，且在離子液體中添加芳香化合物乙基苯可以提高涂層的品質(zhì)，使鍍層的純度、均勻性、致密性和附著力更好。Jiang等[41]采用AlCl3∶EMIC摩爾比為2∶1的AlCl3-EMIC離子液體在鎢電極和鋁電極上電沉積制備鋁涂層，發(fā)現(xiàn)在-0.10～-0.40 V[vs Al(III)/Al]恒電位下沉積的涂層致密、連續(xù)、附著性好；在10～70 mA/cm2的恒電流密度下沉積的鋁涂層致密，與基體結(jié)合良好；但當(dāng)電流密度高于100 mA/cm2時涂層具有枝晶生長，且黏附性較差。Yue等[42]在AlCl3-[bmim]Cl(1-丁基-3-甲基咪唑氯化物)離子液體中，不同溫度(308～328 K)下采用恒電流密度法在低碳鋼上沉積了鋁涂層，發(fā)現(xiàn)電流密度的變化一定會引起鍍層形貌和組織的變化，并且鍍層組織類型隨溫度的變化很快。在低溫較大電流密度下所制備的鍍層均具有較強的擇優(yōu)(200)晶向；在高溫較大電流密度下，擇優(yōu)取向消失，(111)、(220)和(311)反射相對較弱。Liu等[43]通過陽極氧化對低碳鋼基體進行原位電化學(xué)腐蝕后，采用 AlCl3-[EMIm]Cl(60∶40，摩爾分?jǐn)?shù))在鋼板和螺釘?shù)葟?fù)雜形狀的金屬表面電沉積了附著性良好的鋁涂層。Huang等[44]采用AlCl3-1-乙基-3-甲基咪唑氯化鋁(AlCl3-[EMIm]Cl)在TiB2/A356復(fù)合材料表面電化學(xué)沉積了鋁涂層，大大提高了其耐蝕性。Jiang等[45]采用AlCl3-1-乙基-3-甲基咪唑氯化鋁(EMIC)離子液體，室溫下在鈾基體上電沉積鋁涂層，觀察到Al與U在界面處發(fā)生互擴散，電流密度為20 mA/cm2時獲得了均勻的鋁涂層，使腐蝕電流密度降低1個數(shù)量級，顯著提高了U的耐蝕性。Bardi等[46]采用AlCl3-[BMIm]離子液體，室溫下在P90鋰鋁合金上電沉積了鋁涂層；Chang等[47,48]采用AlCl3-EMIC離子液體，室溫下在鎂合金上沉積了鋁涂層，鋁涂層均表現(xiàn)出了良好的耐蝕性能。史曉娟等[49]利用AlCl3-EMIC室溫離子液體的高黏度及其特殊的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，制得Al2O3-[EMIC]Cl懸浮液。用該懸浮液通過電沉積方法成功制備了Al-Al2O3復(fù)合鍍層，復(fù)合鍍層的表面和斷口形貌顯示Al2O3顆粒在鍍層中分布均勻。與純Al鍍層相比，Al2O3顆粒的復(fù)合減小了Al的顆粒尺寸，強化了Al的(200)取向。由于Al2O3顆粒的彌散強化作用，Al-Al2O3復(fù)合鍍層的硬度較純Al鍍層的硬度明顯提高。Higashino等[50]在AlCl3-EMIC離子液體中添加W6Cl12電沉積出了Al-W鋁合金涂層，其具有較高的抗點蝕性能、較高的硬度和較低的楊氏模量。Xu等[51]在AlCl3-1-丁基-3-甲基咪唑氯離子液體中添加TiCl4，在低碳鋼表面電沉積的Al-Ti合金涂層比單一Al涂層具有更高的耐蝕性，且其耐蝕性隨Ti含量的增加而提高。Tetsuga等[52]在AlCl3-EMIC室溫離子液體中添加(Mo6Cl8) Cl4和TiCl2，在銅基體上沉積出了致密且附著力強的Al-Mo-Ti三元鋁合金涂層，發(fā)現(xiàn)Al-Mo-Ti三元鋁合金涂層耐氯化物誘導(dǎo)點蝕性能明顯優(yōu)于相關(guān)的Al-Mo合金。Tsuda等[53]在AlCl3-EMIC室溫離子液體中添加K3[W2Cl9]和MnCl2制備出了Al-W-Mn三元鋁合金涂層，制得的Al-W-Mn三元合金涂層的耐氯化物誘導(dǎo)點蝕性能優(yōu)于相關(guān)二元合金Al-W和Al-Mn。

3 展 望

Al作為地殼中含量豐富(質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到8.3%)、具有質(zhì)量輕，延展性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的物點，且能與多種金屬元素形成以化學(xué)鍵連接的金屬間化合物，是金屬腐蝕防護涂層不可替代的材料。無論是物理法還是電化學(xué)法，制備低成本、低能耗、高性能合金化涂層或復(fù)合涂層是鋁涂層制備方法研究發(fā)展的方向。

3.1 物理法制備鋁涂層

物理法制備鋁涂層的方法中，熱浸鍍法操作簡單，主要適用于不銹鋼、鑄鐵等大型板材和部件上鋁涂層的制備，其發(fā)展方向是圍繞滿足特殊環(huán)境下的金屬板材防腐和耐摩擦要求的鋁合金或鋁復(fù)合涂層的制備。由于鋁易氧化，空氣環(huán)境下形成的氧化鋁膜會阻礙復(fù)合材料進入并高度分散在鋁或鋁合金液中。因此，熱浸鍍法除了要控制鋁涂層與基體間過渡層的厚度及相組成外，解決好復(fù)合材料與金屬鋁或鋁合金液的潤濕及高度分散是發(fā)展的重點。與熱浸鍍法相似，噴涂法制備鋁涂層同樣也適用于大型板材和部件，噴涂法有效地解決了熱浸鍍法制備鋁復(fù)合涂層困難的問題，并根據(jù)金屬基體性質(zhì)的不同開發(fā)出了不同噴涂方法，涂層具有很好的耐腐蝕和附著力。但該工藝不可避免地會產(chǎn)生微孔，且涂層厚、成本高，低成本制備致密的鋁防腐涂層是其發(fā)展的方向。添加合適的復(fù)合材料添加劑將有利于解決鋁涂層多孔問題，進而提高致密性，降低成本。冷噴涂則應(yīng)進一步提高涂層與基體的結(jié)合力，提高致密性，同時降低成本。

3.2 電化學(xué)法制備鋁涂層

電化學(xué)法制備鋁涂層適用于各種小型、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的導(dǎo)電基體材料，該方法能耗低，制備的涂層致密、附著力好，且可以制備出鋁合金和鋁復(fù)合涂層。但電解質(zhì)成本高、對水敏感，需要在惰性環(huán)境中進行操作，限制了其廣泛應(yīng)用。降低電解質(zhì)成本，提高耐水性，制備功能化鋁合金或復(fù)合涂層以提高涂層的耐摩擦、耐腐蝕性能是其發(fā)展方向，適當(dāng)?shù)碾娏髅芏?、溫度、離子液體組分、添加劑、溫度和電壓是采用電化學(xué)方法獲得高質(zhì)量鋁、鋁復(fù)合或鋁合金涂層的關(guān)鍵。