倪成錦,張 虹,董艷春,閻殿然

(1.鞍山師范學(xué)院物理系,遼寧鞍山114005;2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北秦皇島066100;3.河北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,天津300130)

1 引 言

隨著等離子噴涂設(shè)備和噴涂工藝的不斷發(fā)展,高質(zhì)量的涂層逐漸應(yīng)用到磨損、腐蝕領(lǐng)域,因此有必要研究噴涂層的磨損、腐蝕過程.鎳基合金具有良好的耐蝕性能,但是價(jià)格昂貴,采用等離子噴涂技術(shù)制備耐蝕合金包覆鋼是實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的一種有效途徑[1-3].NiCrBSi以其優(yōu)良的耐磨、耐蝕等性能,被廣泛應(yīng)用于表面修復(fù)和表面強(qiáng)化工程中.鎳基自熔性合金粉以其優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性在熱噴涂領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛,是熱噴涂材料中最早實(shí)現(xiàn)系列化和商品化的粉末之一[4].對(duì)于鎳基合金涂層的研究,多數(shù)在于激光重熔后涂層的組織及性能,耐蝕性研究多數(shù)為電化學(xué)腐蝕[5-10],還鮮有研究金屬涂層特別是NiCrBSi(簡(jiǎn)稱Ni60)涂層在酸性介質(zhì)中的腐蝕過程和機(jī)理的報(bào)道.本文利用全浸泡實(shí)驗(yàn)研究NiCrBSi噴涂層在5%HCl,5%H2SO4(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)水溶液中的腐蝕過程和腐蝕機(jī)理.

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

采用50 kW的等離子噴涂設(shè)備,BT-G3型等離子噴槍,采用槍外送粉方式,噴制涂層.試樣基體為 Q235熱軋鋼板.試樣尺寸為20 mm×25 mm×3 mm,試樣的待噴表面,經(jīng)過噴砂或用粗砂輪打磨,除去鐵銹,使試樣表面粗化,以提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度.然后,再在粗化面上依次噴涂粘結(jié)底層及表面涂層.涂層厚度為0.4～0.6 mm.腐蝕實(shí)驗(yàn)采用5%H2SO4和5%HCl 2種腐蝕液,為了加快腐蝕速度,本實(shí)驗(yàn)采用沸騰的H2SO4和 HCl溶液.制作腐蝕金相試樣時(shí),先將腐蝕后的試樣用丙酮浸泡12 h,除去涂在腐蝕試樣周邊的抗腐蝕粘接劑(302膠),然后用金相切割機(jī)(Q-2型)把腐蝕試樣切開,由于試樣被腐蝕后,涂層中存在腐蝕產(chǎn)物,所以涂層很容易脫落,在切試樣時(shí)應(yīng)從涂層的表面切向試樣的基體.制成金相試樣后,再對(duì)腐蝕試樣進(jìn)行顯微組織觀察.

涂層試樣的金相分析采用PH IL IPS XL30/TM P型掃描電鏡.同時(shí)借助掃描電鏡的α射線能譜分析儀,進(jìn)行組織中各點(diǎn)、線、面的元素分析.物相分析用 PH IL IPS X-Pert M PD型X-射線衍射儀.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 Ni60自熔合金涂層的耐腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1是 Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4和5%HCl中的腐蝕結(jié)果.圖1是Ni60涂層分別在沸騰的 5%H2SO4和5%HCl中的腐蝕失重曲線.將腐蝕結(jié)果(表1和圖1)與A l2O3陶瓷的腐蝕情況[11]相比,Ni60涂層的耐腐蝕性能明顯高于A l2O3涂層.Ni60涂層在5%H2SO4和5%HCl內(nèi)的腐蝕失重規(guī)律相同,但在5%HCl溶液中的耐腐蝕性能略差于其在 H2SO4溶液中的耐蝕性.

表1 Ni60涂層的腐蝕過程中涂層剝落情況

圖1 Ni60涂層在不同腐蝕液中的腐蝕失重曲線

3.2 Ni60涂層腐蝕試樣的顯微組織與成分分析

圖2是Ni60涂層在沸騰的5%HCl中的腐蝕試樣的顯微組織SEM照片.從圖2(b)中可以看到,經(jīng)39 h的腐蝕后,涂層中幾乎沒有被腐蝕的痕跡,腐蝕過程主要發(fā)生在涂層與基體的界面處,這說明涂層自身的耐蝕性較好.

圖3是Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4中的腐蝕試樣的顯微組織SEM照片.從圖3(b)中可以看出,經(jīng)45 h腐蝕后,涂層自身被腐蝕的痕跡不明顯,但是,在涂層與基體間的界面處發(fā)生腐蝕.由圖3(a)可看出,Ni60涂層腐蝕21 h后,在涂層與基體結(jié)合處,就發(fā)現(xiàn)有少量的腐蝕產(chǎn)物(其成分見圖4)出現(xiàn),可見涂層中的通孔是Ni60涂層的腐蝕的主要原因,由于涂層中存在通孔,使得腐蝕液通過通孔與基體接觸,在基體與涂層間發(fā)生電化學(xué)腐蝕,導(dǎo)致基體首先被腐蝕.孔隙中的腐蝕產(chǎn)物在腐蝕過程中不能被及時(shí)地排除,從而出現(xiàn)增重現(xiàn)象.

圖2 Ni60涂層在5%HCl溶液內(nèi)腐蝕的形貌變化

圖3 Ni60涂層在5%H2 SO4溶液內(nèi)腐蝕的形貌變化

圖4 不同腐蝕液的Ni60涂層腐蝕產(chǎn)物的能譜分析

隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),腐蝕面積的增大,腐蝕部位與通孔間貫通并且形成腐蝕通路,以至于形成腐蝕液的對(duì)流,如圖5所示.產(chǎn)生的氣體和其他腐蝕產(chǎn)物可以從其他的通孔處溢出,從而加快了腐蝕速度,失重大幅度提高.當(dāng)腐蝕產(chǎn)物的形成速度大于排出速度時(shí)便形成了腐蝕產(chǎn)物的聚集,導(dǎo)致涂層與基體之間出現(xiàn)裂紋,最終導(dǎo)致涂層剝落.

圖6是Ni60涂層在沸騰的5%HCl和5%H2SO4中腐蝕不同時(shí)間的試樣橫斷面的線掃描照片.比較圖6中的圖(a)和(b)可以證明以上的分析是正確的,圖6(b)顯示涂層的Cl元素比圖6(a)涂層中的Cl增多,說明腐蝕確實(shí)是通過涂層中的通孔和孔隙來完成的.對(duì)比圖6(c)和(d)也同樣發(fā)現(xiàn)S元素在Ni60涂層中的變化隨著腐蝕時(shí)間的增加也略有增長(zhǎng),在圖6(c)中,S元素幾乎近于一條直線,而在圖6(d)中有所變化,這也證明了實(shí)際腐蝕過程同上面的分析是一致的.

孔隙的存在會(huì)使涂層的耐腐蝕性能下降,因此為了提高涂層的耐腐蝕性能必須對(duì)涂層進(jìn)行封孔處理.目前研究采用溶膠-凝膠法研制 SiO2-A 12O3溶膠封孔劑[12],用浸漬-提拉法對(duì)等離子噴涂涂層進(jìn)行封孔處理.封孔處理前后的SEM照片及孔隙率測(cè)試表明,封孔后涂層的孔隙率得到了明顯的降低,封孔后涂層的耐酸、堿和鹽腐蝕的性能均提高了50%以上,從而增強(qiáng)了涂層對(duì)基體的保護(hù)作用.

圖6 5%HCl和5%H2 SO4腐蝕Ni60涂層的能譜分析

4 結(jié) 論

1)Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4和5%HCl溶液中的腐蝕過程為:在腐蝕初期,腐蝕失重相當(dāng),但在5%HCl溶液中腐蝕到25 h時(shí),腐蝕速度迅速增加,39 h出現(xiàn)涂層鼓泡.

2)在5%H2SO4溶液內(nèi)腐蝕33 h后腐蝕速度迅速增加,腐蝕45 h后涂層鼓泡.

3)涂層的腐蝕主要集中在涂層與基體界面上,以腐蝕基體為主,涂層自身基本不被腐蝕,涂層具有良好的耐蝕性,造成腐蝕的原因是涂層中的通孔,即孔隙腐蝕是涂層腐蝕的主要原因.

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