Ni60A基復合涂層的制備及其耐蝕性能研究

金華軍 黃瑞峰

摘 要：裝卸機的抓斗，在服役過程中受到嚴重的磨損與腐蝕，易使抓斗斗口板失效。Al2O3粉末與鎳基自熔性合金粉末Ni60A混合后，用熱噴焊工藝在斗口板基體材料表面制備出復合涂層，能有效改善其耐磨耐蝕性能。Al2O3的加入量對Ni60A涂層在不同介質中的耐蝕性能有不同的影響，結果表明，當Al2O3含量為0.5%時，涂層在稀硝酸溶液中的腐蝕速率最小。

關鍵詞：Al2O3；Ni60A涂層；耐蝕性能

Abstract： Grab bucket board of loading machine were easily failure due to seriously abrasion and corrosion in the process of operating. It improved effectively abrasion and corrosion resistance due to the fact that composite coating were fabricated by using blame spray-welding technology on the substrate of grab bucket board after Al2O3 were successfully added to the alloy powder of Ni60A. It had different effect on corrosion resistance of Ni60A coating with different content of Al2O3 in the different media. The results indicated that， it had the minimum eroding speed of coating with 0.5wt percent of Al2O3 in the condition of rare nitric acid.

Keywords： Al2O3； Ni60A coating； corrosion resistance

中圖分類號：TG178 文獻標識碼：A

1 前言

礦山、港口機械中裝卸機的抓斗，在服役過程中需要抓取、運送貨物，其工作部分抓斗刃口板會受到嚴重的磨損與腐蝕，且由于工作介質濕度的影響，磨損與腐蝕相互促進，極易造成刃口板的失效。抓斗刃口板材料目前使用較多的是高錳合金鋼，價格較貴，且使用壽命較短，需定期更換，使設備的使用成本較高。

在45鋼表面上采用熱噴焊工藝制備耐磨耐蝕復合涂層，能在有效延長抓斗使用壽命的同時幾乎不增加其成本。鎳基自熔性合金Ni60A粉末作基底的噴焊涂層具有良好的耐熱、抗氧化、耐酸堿腐蝕、耐磨損等綜合性能，是最早和最廣泛用于熱噴焊的合金，在工程上應用較廣。鎳基自熔性合金主要成分是Ni、Cr、B、Si、C、Fe等元素。由于抓斗斗口板服役條件的特殊性，為進一步改善涂層的耐磨耐蝕性能，在鎳基粉末復合涂層內，添加高硬度、高耐磨且化學穩定性好的Al2O3硬質陶瓷相。Al2O3相的膨脹系數與金屬相似，放入金屬或合金中不會引起內部應力，還可以使晶粒細化，大大改善合金力學性能。

Al2O3粉末與Ni基自熔性合金粉末混合后，用熱噴焊工藝在基體材料表面制備出金屬-陶瓷系復合涂層。本文側重討論復合涂層的制備以及Al2O3加入量對Ni60A噴焊復合涂層在不同介質中的耐蝕性能的影響。

2 試驗方法及條件

將微米Al2O3粉末與Ni基自熔性合金粉末混合后，用熱噴焊工藝在45鋼表面制備出金屬-陶瓷系復合涂層。腐蝕試驗方法采用國標標準。根據抓斗刃口板的服役環境，模擬腐蝕試驗的條件，采用中性的氯化鈉溶液和酸性的硝酸溶液。其中NaCl濃液濃度為4%、溫度設定為50℃、時間設定為144h；硝酸濃液濃度為5%、溫度設定為25℃、時間設定為24h。腐蝕速率用失重法計算，公式為V=（W0-W）/st，式中V為腐蝕速率 （g/（m2·h））、W0為試樣原重量、W為腐蝕后試樣重量、S為原試樣表面積、t為腐蝕時間。

3 試驗結果與分析

3.1 涂層的微觀分析

涂層截面的微觀形貌如圖1所示，可見涂層與45鋼基體間為牢固的冶金結合。當復合粉末噴涂到潔凈而粗糙的基體表面上時，焊接時產生的瞬時巨熱會使粉末與基體材料都有一定程度的熔融。而在這極薄的熔化層內部兩種材料的不同元素間會相互滲透、擴散，形成固溶體合金層，把基體與涂層緊密的結合在一起，而且其結合強度很高。

由圖1可見，從左向右依次是45鋼基體、過渡層、噴焊層。分別對基體處、過渡層處、涂層表面以及圖中白亮點作EDS能譜分析，結果如圖2所示。

由圖2（a）可知，基體中Fe、Ni元素濃度較高；由圖2（b）可知，基體與涂層的過渡界面處Cr、C、Fe、Ni等元素濃度較高；由圖2（c）可知，涂層中Cr元素濃度較高，而Ni、Fe元素則較低。比較以上結果可知，原涂層粉末中的Ni元素擴散進入了基體，而原涂層粉末中的Cr元素卻幾乎沒有進入基體。基體中的Fe元素進行了擴散，但擴散距離較短，只能進入過渡層區域，很難擴散到涂層內部。而基體中的C元素卻能很好的擴散進入涂層。由此可知，涂層中的Ni元素和基體中的Fe、C元素進行了互擴散，從而使涂層與基體形成了牢固的冶金結合。而界面兩側的元素之所以能夠進行互擴散，可認為界面兩側的元素存在大的濃度梯度是根源，噴焊時產生的瞬時高溫高熱又為這種可能的擴散提供了驅動力。圖2（d）表明在涂層基體上彌散分布著的一些白亮點為Al2O3。作為高溫陶瓷相的Al2O3其熔點達2050℃，而Ni基自熔性合金粉末的熔點只有1100℃，則Al2O3在涂層中不會熔融燒結，其作為硬質相彌散分布在連續的合金涂層中，彌散強化作用顯著。

3.2 涂層的耐蝕性分析

Al2O3的加入量對涂層的耐腐蝕性能分析結果見表1和表2。

從表1及圖3可知，不同含量Al2O3復合涂層在NaCl溶液中的腐蝕速率值都很小，說明Al2O3的加入對涂層在中性溶液中耐蝕性能的影響極小。在中性溶液中，氫離子濃度較小，析氫反應電位較低，不可能發生陰極的析氫反應。而此時溶液中溶解氧的還原反應電位較正，所以只能發生氧去極化的陰極反應。此時復合涂層中的合金元素將會發生陽極溶解，而陽極溶解主要發生在合金表面的化學活性部位。而由于復合涂層中Ni、Cr、Al等易鈍化元素的存在，合金表面能基本形成完整的鈍化膜，所以合金表面化學活性很弱，不易被腐蝕。雖然由于Cl-的存在，會破壞合金的鈍態，但Cl-對鈍化膜的破壞作用并不是發生在整個金屬的表面，而是帶有局部點狀腐蝕的性質，因此涂層在整個腐蝕體系中的腐蝕量很小。

從表2及圖4可知，Al2O3的加入對復合涂層在稀硝酸溶液中的耐腐蝕性能有較大的提高，當Al2O3的加入量達到0.5%時，腐蝕速率降低到最小值 14.93 g/（m2·h），而不含Al2O3的涂層腐蝕速率最高達18.17g/（m2·h）。由于涂層在稀硝酸溶液中發生的是選擇性腐蝕，硬質相處于鈍態，是腐蝕過程中的陰極，不易被腐蝕；而基體處于活性狀態，發生陽極溶解，易被腐蝕。當基體被腐蝕到一定階段后，彌散分布在基體中的硬質相由于周圍包覆的基體漸漸因為被腐蝕而剝落，硬質相失去基體的包覆而漸漸突出直至脫落，成為腐蝕產物。而添加了一定數量Al2O3的涂層，由于彌散強化的作用使基體組織明顯細化，此時基體被腐蝕時，腐蝕行為不易持續進行，從而降低其腐蝕速率，提高整個材料的耐腐蝕性能。

4 結論

（1）熱噴焊工藝制備出的復合涂層與基體間呈現冶金結合， 且結合強度較高。

（2）在中性氯化鈉溶液中，復合涂層的腐蝕量很微小，Al2O3的加入量對其耐蝕性能幾乎沒有影響。

（3）Al2O3的加入對復合涂層在稀硝酸溶液中的耐腐蝕性能有所提高，當Al2O3含量為0.5%時，其腐蝕速率最小。

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