外載荷和腐蝕耦合作用下非晶涂層性能研究①

王 勇 李柯遠 孫振旭 張旭昀 畢鳳琴

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

外載荷和腐蝕耦合作用下非晶涂層性能研究①

王 勇1李柯遠1孫振旭2張旭昀1畢鳳琴1

(1.東北石油大學機械科學與工程學院；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術研究院)

概述了磨損、拉伸等純外載荷、外載荷和腐蝕耦合作用對非晶涂層性能的影響，為進一步開展非晶涂層在外力和腐蝕相互作用下的研究提供思路和參考。

非晶涂層 外載荷 腐蝕 耦合作用

非晶合金是一種經過極高冷卻速度獲得的新型金屬材料，其結構與液態金屬相似。非晶合金原子在空間排列上不呈對稱性和周期性，即沒有長程有序，在結構上無位錯、晶界等缺陷，因此具有優于相應晶體材料的物理、化學和力學性質。1967年，Duwez P和Lin S C H開發了第1個Fe-P-C系非晶軟磁合金[1]。2003年，Ponnambalam V等研究開發出一種非鐵磁性、高硬度的非晶鋼[2]。2005年，Shen J等成功制備出了直徑為16mm的無磁性非晶鋼(FeCoCrMoCBY)[3]。由于鐵基非晶合金具有強度高、硬度高、耐腐蝕性強、玻璃形成能力優異、價格低廉及制備工藝簡單等特點，有望成為一種新型工程材料[4]。

雖然鐵基非晶合金性能優異，可以作為耐磨耐蝕材料，但其韌性、塑性較差，制約了其應用發展[5]。近年來，隨著活性燃燒高速燃氣噴涂(Activated Combustion High Velocity Air Fuel,AC-HVAF)技術的發展，利用該技術可以獲得高致密度、低氧化物含量的高質量鐵基非晶合金涂層[6]，成為非晶涂層走向工業化應用領域的突破口之一。為此，國內外研究學者相繼開展了對鐵基非晶合金涂層的研究工作。Farmer J等研究開發了SAM2X5和SAM1651兩種新型鐵基非晶合金，運用超音速火焰噴涂技術將它們制備成了具有優異耐磨耐蝕性能的非晶涂層，并已成功應用于國家國防艦艇防護、核電核廢料儲存等領域[7]。我國研究學者在鐵基非晶涂層制備[8]、耐磨性[9]、耐高溫氧化性[10]、耐沖蝕性[6]及耐腐蝕性[11～13]等方面也進行了廣泛研究。非晶涂層在腐蝕、摩擦、磨損等嚴苛環境中展現出了優異的性能，為材料腐蝕防護研究提供了嶄新的方向。

實際應用過程中發現，載荷和腐蝕是非晶涂層不可避免并導致失效的關鍵影響因素。一直以來，研究學者們普遍關注的是非晶涂層在純載荷或純腐蝕條件下的性能特征，而忽略了在載荷和腐蝕耦合環境中的服役行為。因此，隨著新型AC-HVAF技術的發展，深入探討外載荷和腐蝕作用下非晶涂層的性能特征，是擴展非晶涂層應用領域的關鍵。在此，筆者對外載荷、外載荷和腐蝕耦合作用對非晶涂層性能特征的影響規律進行了研究，為非晶涂層在載荷和腐蝕環境中的應用提供理論基礎。

1 外載荷對非晶涂層性能的影響

非晶涂層在工業應用過程中不可避免地會受到摩擦磨損、拉伸、沖擊及疲勞等外部載荷作用。摩擦磨損是非晶涂層失效的一種主要形式，常見的摩擦磨損有磨粒磨損和疲勞磨損兩種形式。趙國強和張松對鐵基非晶涂層進行了摩擦磨損實驗，結果顯示非晶涂層在摩擦磨損過程中摩擦表面會發生表面硬化，表面硬化會降低涂層耐磨性，進而破壞非晶涂層性能[14]。由Archard定理可知，提高硬度會使材料磨損體積減小，進而提高涂層的耐磨性[15]。因此，非晶涂層的高硬度是使之具備優異耐磨性的先決條件。

非晶涂層作為一種高強度亞穩態材料，在使用過程中還會承受拉伸載荷，嚴重時會導致斷裂。傳統晶體材料的斷裂準則不完全符合非晶材料的斷裂行為。目前，研究者們對非晶合金涂層的拉伸斷裂研究表明，拉伸斷裂主要有兩個特征：拉伸剪切斷裂和拉伸正斷，兩者均符合“橢圓準則”[16]。另外，非晶合金模量和極限強度隨著尺寸的增加而增大，因此破壞僅來自局部頸縮[17]，并且空位的微小長大對斷裂行為沒有太大影響。

實際上，在工業應用環境中，非晶涂層不僅承受單純的外載荷作用，還會受到外載荷與腐蝕的聯合作用，如在腐蝕介質中的磨損、腐蝕介質中的拉伸。腐蝕介質的存在使得在外載荷作用時非晶合金性能變得極不穩定，因此，研究外載荷與腐蝕耦合作用對非晶涂層性能的影響規律至關重要。

2 外載荷和腐蝕耦合作用對非晶涂層性能的影響

非晶涂層在腐蝕介質中的磨損行為不同于純磨損，材料在腐蝕介質中受到小而松散的流動粒子沖擊，在表面會出現磨損破壞，即沖刷腐蝕(簡稱沖蝕)。Wang Y等[6,13，18]進行了沖蝕實驗，結果表明在NaCl介質中，非晶涂層沖蝕損害與Cl-濃度之間存在一定的相關性，Cl-的腐蝕作用增加了沖蝕程度，加劇了材料的沖蝕失重。在力學沖刷作用下，非晶涂層表面鈍化膜穩定性不高，鈍化膜發生減薄甚至破裂，此時在沖刷和腐蝕強烈交互作用下將加速非晶涂層的腐蝕。

在腐蝕性介質中非晶涂層還會承受外部拉應力作用，容易引發應力腐蝕開裂(承受應力的材料在腐蝕性環境中由于裂紋擴展而發生失效的一種現象)。文獻[19～22]進行了大量的不銹鋼應力腐蝕實驗，結果表明隨著應變速率的不斷增大，應力腐蝕敏感性先增大后減小；應力腐蝕是從材料表面鈍化膜破壞發生點蝕開始，逐步在裂紋源擴展，最終導致不銹鋼應力腐蝕斷裂；隨著外載荷的不斷增大、Cl-濃度的不斷升高，應力腐蝕時間越短，耐腐蝕性越差。但鐵基非晶涂層具有更穩定的鈍化膜，而且自身結構無缺陷，氫滲透行為的差異性大，因此在應力腐蝕機理方面，可能呈現出與不銹鋼截然不同的失效行為。非晶合金在低溫范圍內主要發生剪切塑性變形，容易沿單一剪切帶直接發生脆性斷裂，在拉伸載荷和壓縮載荷作用下，剪切斷裂面與外加載荷軸的夾角不一致，不服從“屈特加準則”[23]。目前，對于非晶合金應力腐蝕機理的研究并不全面[24]，相關作用機制仍然需要更加深入和全面的了解。

3 結束語

近年來，研究學者們對鐵基非晶涂層的制備和性能進行了廣泛的實驗研究，并取得了較大的進展。但目前非晶涂層在多因素耦合環境中的服役行為還不明朗，在理論和實際應用中還存在一些基本科學問題，特別是對非晶在力學和腐蝕共同作用下的失效行為的理解并不全面。因此，研究鐵基非晶在外載荷和腐蝕共同作用下的性能，推進非晶涂層的進一步實際應用，是促使鐵基非晶涂層快速成熟應用的一個必要條件。

[1] Duwez P,Lin S C H.Amorphous Ferromagnetic Phase in Iron-Carbon-Phosphorus Alloys[J].Journal of Applied Physics,1967,38(10):4096～4097.

[2] Ponnambalam V,Poon S J,Shiflet G J,et al.Synthesis of Iron-based Bulk Metallic Glasses as Nonferromagnetic Amorphous Steel Alloys[J].Applied Physics Letters,2003,83(6):1131～1133.

[3] Shen J,Chen Q,Sun J,et al.Exceptionally High Glass-forming Ability of an FeCoCrMoCBY Alloy[J].Applied Physics Letters,2005,86(15):279.

[4] 傅斌友,賀定勇,趙力東,等.WC含量對鐵基涂層非晶形成能力及其性能影響[J].中國表面工程,2008,21(6):23～26.

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[23] 張哲峰,伍復發,范吉堂,等.非晶合金材料的變形與斷裂[J].中國科學,2008,38(4):349～372.

[24] 王勇,李洋,呂妍,等.應力作用下鐵基非晶涂層腐蝕性能影響的研究綜述[J].化工機械,2016,43(3):284～286.

PropertyStudyofAmorphousMetallicCoatingsunderCouplingofExternalLoadandCorrosion

WANG Yong1,LI Ke-yuan1,SUN Zhen-xu2,ZHANG Xu-yun1,BI Feng-qin1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity;2.EngineeringandTechnologyResearchInstitute,CNPCGreatWallDrillingCompanyLimited)

The influences of abrasion and the tensile fracture on the property of amorphous coatings were summarized,including the external load’s influence and that of the coupling of external load and corrosion.This research provides both train of thought and references for further investigation of the amorphous coatings applied under the coupling of applied loads and corrosion.

amorphous coating,external load,corrosion,coupling

國家自然科學基金項目(51401051)。

王勇(1979-)，副教授，從事材料腐蝕與防護的研究。

聯系人張旭昀(1973-)，教授，從事材料科學與計算的教學和科研工作，zhydqpi@sina.com。

TQ138.1

A

0254-6094(2017)04-0394-03

2016-11-09，

2016-12-05)

(Continued from Page 385)

and regulations,the security system construction and safety management,the complete procurement management process for pressure vessels and the control elements thereof was proposed.

Keywordspressure vessel,procurement management process,procurement process control