NiCr BSi涂層在酸性介質(zhì)中耐腐蝕性能

倪成錦,張 虹,董艷春,閻殿然

(1.鞍山師范學院物理系,遼寧鞍山114005;2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學院,河北秦皇島066100;3.河北工業(yè)大學材料學院,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,但是價格昂貴,采用等離子噴涂技術(shù)制備耐蝕合金包覆鋼是實現(xiàn)高性價比的一種有效途徑[1-3].NiCrBSi以其優(yōu)良的耐磨、耐蝕等性能,被廣泛應(yīng)用于表面修復和表面強化工程中.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現(xiàn)系列化和商品化的粉末之一[4].對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)為電化學腐蝕[5-10],還鮮有研究金屬涂層特別是NiCrBSi(簡稱Ni60)涂層在酸性介質(zhì)中的腐蝕過程和機理的報道.本文利用全浸泡實驗研究NiCrBSi噴涂層在5%HCl,5%H2SO4(質(zhì)量分數(shù),下同)水溶液中的腐蝕過程和腐蝕機理.

2 實驗設(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.腐蝕實驗采用5%H2SO4和5%HCl 2種腐蝕液,為了加快腐蝕速度,本實驗采用沸騰的H2SO4和 HCl溶液.制作腐蝕金相試樣時,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(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,在切試樣時應(yīng)從涂層的表面切向試樣的基體.制成金相試樣后,再對腐蝕試樣進行顯微組織觀察.

涂層試樣的金相分析采用PH IL IPS XL30/TM P型掃描電鏡.同時借助掃描電鏡的α射線能譜分析儀,進行組織中各點、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 實驗結(jié)果及分析

3.1 Ni60自熔合金涂層的耐腐蝕實驗結(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)生電化學腐蝕,導致基體首先被腐蝕.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

隨著腐蝕時間的延長,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.當腐蝕產(chǎn)物的形成速度大于排出速度時便形成了腐蝕產(chǎn)物的聚集,導致涂層與基體之間出現(xiàn)裂紋,最終導致涂層剝落.

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,說明腐蝕確實是通過涂層中的通孔和孔隙來完成的.對比圖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間的增加也略有增長,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,這也證明了實際腐蝕過程同上面的分析是一致的.

孔隙的存在會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涂層進行封孔處理.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-提拉法對等離子噴涂涂層進行封孔處理.封孔處理前后的SEM照片及孔隙率測試表明,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,從而增強了涂層對基體的保護作用.

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,但在5%HCl溶液中腐蝕到25 h時,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.

[1] 石巖,張宏,徐春鷹.銅基粉末冶金摩擦材料激光表面改性處理[J].中國激光,2009,36(5):1246-1250.

[2] 李明喜,何宜柱,孫國雄.Ni基高溫合金表面激光熔覆Co基合金的組織[J].焊接學報,2002,23(6):17-20.

[3] 孫榮祿,楊賢金.激光熔覆原位合成 TiC-TiB2/Ni基金屬陶瓷涂層的組織和摩擦磨損性能[J].硅酸鹽學報,2003,31(12):1221-1224.

[4] 賀定勇,趙力東.微束等離子噴涂 NiCrBSi涂層[J].焊接學報,2007,28(7):45-48.

[5] 劉榮祥,郭立新,雷廷權(quán).激光重熔NiCrBSi+TiN復合涂層及界面組織[J].中國激光,2005,32(2):292-296.

[6] Lee C H,M in K O.Effects of heat treatment on themicrostructure and p ropertiesof HVOF-sp rayed Ni-Cr-W-Mo-B alloy coatings[J].Surf.Coat.Technol.,2000,132(1):49-57.

[7] Guilemany J M,Fernández J,Delgado J,et al.Effects of thickness coating on the electrochemical behavio r of thermal sp ray Cr3C2-NiCr coatings[J].Surf.Coat.Technol.,2002,153(2/3):107-113.

[8] Gil L,Staia M H.M icrostructure and p ropertiesof HVOF thermal sp rayed NiWCrBSi coatings[J].Surf.Coat.Technol.,1999,120/121(1):423-429.

[9] Dent A H,Ho rlock A J,M cCartney D G,et al.The corrosion behavio r and microstructure of highvelocity oxy-fuel sp rayed nickel-base amo rphous/nanocrystalline coatings[J].J. Therm. Sp ray Technol.,1999,8(3):399-404.

[10] Harvey D,Lunder O,Henriksen R.The development of co rrosion resistance coatings by HVOF sp raying[A].Christopher C B.Proceedings of the 1st International Thermal Sp ray Conference[C].OH:ASM International Materials Park,2000:991-997.

[11] Yan D R,He JN,Li X Z,et al.Corrosion Behavior in boiling dilute HCl solution of deferent Ceramic coating fabricated by plasma sp raying[J].J.Thermal.Sp ray Technol.,2004,13(4):503-507.

[12] 孟令娟.溶膠-凝膠法制備等離子噴涂層封孔層的研究[D].武漢:武漢理工大學,2010.