鋁合金表面等離子噴涂鎳基涂層的耐磨損腐蝕行為

趙 旭,王曉軍,崔 熙,石喜軍

(中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第六采氣廠(chǎng),西安 710003)

鋁及其合金具有密度低、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好、易擠壓加工、切削加工性好等優(yōu)點(diǎn)。美國(guó)、日本等國(guó)家早已將鋁合金作為船艦結(jié)構(gòu)的主要材料。在海洋石油鉆探領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋁合金是替代傳統(tǒng)鋼材的重要材料。俄羅斯已將高強(qiáng)度鋁合金7075鉆桿用于超深井的開(kāi)發(fā)中。我國(guó)的鋁合金鉆桿開(kāi)發(fā)起步晚，目前高強(qiáng)度鉆桿仍需進(jìn)口。海洋鉆探不可避免會(huì)發(fā)生磨損，而鋁合金7075的耐磨性和耐蝕性較差。表面處理可以改善鋁合金的缺點(diǎn)，延長(zhǎng)其使用壽命[1-5]。其中，等離子噴涂技術(shù)可以使基體材料獲得具有良好耐磨性和耐蝕性的涂層，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用[6-8]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多在鋼基體上熱噴涂鎳基合金涂層[9-11]，而關(guān)于鋁合金基體上硬質(zhì)合金涂層的報(bào)道較少。YAO等[12]報(bào)道了Ni60合金涂層的組織、硬度、摩擦學(xué)性能和耐蝕能。LUO等[13-14]報(bào)道了Ni60-WC涂層的顯微硬度和銷(xiāo)盤(pán)磨損性能。ZHOU等[15-16]研究了WC增強(qiáng)NiCrBSi合金涂層的組織和耐磨性。然而，關(guān)于鎳基合金涂層在不同靜水壓力條件下腐蝕行為的文獻(xiàn)研究卻很少。

本工作采用等離子噴涂方法在7075鋁合金上制備了Ni 60+35% WC涂層，分析了材料的磨損機(jī)理和不同靜水壓力下的耐蝕性，以期為高強(qiáng)度鋁合金在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

采用7075鋁合金作為基板材料，制備涂層的粉末為市售Ni 60和Ni 60+35% WC粉。鎳基合金是自溶合金，呈規(guī)則的球形形貌，如圖1所示。

圖1 Ni 60+35% WC粉末的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of Ni 60+35% WC powder

使用9 M等離子噴涂技術(shù)在商用7075鋁合金上進(jìn)行沉積。沉積前需要將切割好的7075鋁合金基體試樣浸泡于無(wú)水乙醇中，采用超聲波清洗除油，然后用無(wú)水乙醇沖洗表面。對(duì)基體試樣表面噴砂，進(jìn)行粗糙化處理，以提高工作層與鋁合金之間的結(jié)合強(qiáng)度。在噴涂前，將待噴涂粉末置于80 ℃的烘箱中烘烤2 h。烘烤后的粉末經(jīng)送粉器送入噴槍噴口處，由噴槍噴出的高速等離子氣流進(jìn)行加熱、加速后，最終以熔融態(tài)或者半熔融態(tài)沉積到試樣表面，形成涂層。噴涂參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 等離子噴涂參數(shù)Tab. 1 Parameters of plasma spraying

1.2 涂層性能測(cè)試

1.2.1 不同靜水壓力下的電化學(xué)試驗(yàn)

向高壓釜中充入氮?dú)饪梢栽黾屿o水壓力，9 MPa壓力近似等于900 m深海水的靜水壓力，許多研究者都通過(guò)這種方法模擬深海環(huán)境[17-18]。采用與電化學(xué)工作站(CHI660E，上海辰華儀器儀表有限公司)連接的高壓釜，對(duì)不同靜水壓下涂層試樣的電化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)采用三電極體系，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt電極為輔助電極，非工作面采用環(huán)氧樹(shù)脂密封且工作面積為1 cm2的涂層試樣為工作電極。涂層試樣在3.5 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同) NaCl溶液中浸泡30 min待開(kāi)路電位穩(wěn)定后進(jìn)行極化曲線(xiàn)測(cè)試，掃描速率為1 mV/s。

由圖3可見(jiàn)：Ni 60+35% WC原料粉末中除主要的WC外，還含有FeNi和Cr23C6、Cr2C3、Cr2Ni2Si相。Ni 60+35% WC涂層主要有WC、FeNi、Cr23C6、Cr2C3。XRD結(jié)果表明，Ni60+35%WC粉末在熱噴涂過(guò)程中沒(méi)有新形成相。

圖3 Ni 60 + 35% WC原料粉末和涂層的XRD圖譜Fig. 3 XRD patterns of Ni 60 + 35% WC raw material powder and coating

1.2.2 3.5% NaCl溶液中的磨損試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備為UMT-5銷(xiāo)盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)，涂層試樣和鋁合金基體試樣的尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，基體試樣用砂紙(200～2 000)逐級(jí)打磨。將試樣固定在盛有3.5%NaCl溶液的摩擦試驗(yàn)臺(tái)上。在摩擦試驗(yàn)機(jī)上裝好摩擦副(直徑為5 mm)。摩擦條件如下：加載20 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，磨損時(shí)間15 min，通過(guò)電腦控制整個(gè)摩擦過(guò)程，每組試驗(yàn)設(shè)三組平行試樣。

1.2.3 力學(xué)性能測(cè)試

硬度測(cè)試采用數(shù)字顯微硬度計(jì)(HXD-1000 M)，負(fù)載200 g，持續(xù)10 s。

涂層的結(jié)合強(qiáng)度按ASTM C633-01標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，使用E-7結(jié)構(gòu)膠(上海華誼樹(shù)脂有限公司)對(duì)試樣進(jìn)行黏合后，在萬(wàn)能力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)(CTM8000，協(xié)強(qiáng)儀器制造(上海)有限公司)上進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試8組平行試樣，取平均值。

1.3 涂層形貌表征

采用BRUKE-D8 X射線(xiàn)衍射儀(布魯克，美國(guó))對(duì)粉體和涂層進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，靶材為Cu-靶。工作參數(shù)為40 kV、200 mA，掃描速率為5°/min，2θ為30°～100°。利用掃描電子顯微鏡(SEM，蔡司Gemini，德國(guó))和能譜儀(EDS，牛津儀器，美國(guó))分析涂層試樣的形貌和化學(xué)成分。采用基于ASTM B276的圖像分析方法測(cè)定涂層的孔隙率。分析10張截面圖像，在消除孔隙度最大值和最小值后，取8個(gè)剩余孔隙度值的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微組織

由圖2(a)可見(jiàn)：孔隙主要分布在涂層表層，這種現(xiàn)象在之前的研究[19]中也有報(bào)道。Ni60+35%WC涂層的平均孔隙率為(1.3±0.3)%。由圖2(b)可見(jiàn)：涂層中的主要元素為W、Ni、Cr、Si，涂層與鋁合金不存在明顯的元素?cái)U(kuò)散，屬于典型的機(jī)械結(jié)合。相比于文獻(xiàn)報(bào)道的采用AC-HVAF技術(shù)制備的Ni60/WC涂層(孔隙率為2.5%)，Ni 60+35% WC涂層的孔隙率較小[20]。

(a) 涂層/鋁合金界面處的形貌

2.2 涂層的顯微硬度

由圖4可見(jiàn)：Ni 60+35% WC涂層的顯微硬度為871±137 HV0.2，7075鋁合金的顯微硬度為(185±6 HV0.2)，涂層的硬度遠(yuǎn)高于鋁合金。有研究表明，Ni 60+60% WC涂層的顯微硬度值僅為742 HV0.3[15]，Ni 60+35% WC涂層的硬度更高是由于二者的工藝不同，激光熔覆工藝輸入能量高，對(duì)WC相的性能有損耗，因此硬度偏低；而等離子噴涂對(duì)WC相的損耗少，同時(shí)噴涂使WC顆粒分布更加彌散，Cr23C6、WC顆粒是提高涂層硬度和耐磨性的關(guān)鍵[15]。

圖4 涂層和鋁合金的顯微硬度Fig. 4 Microhardness of coating and aluminum alloy

2.3 涂層在模擬海洋環(huán)境中的磨損性能

由圖5可見(jiàn)：Ni 60+35% WC涂層的磨損率遠(yuǎn)大于7075鋁合金，這表明在海洋環(huán)境中，涂層的耐磨性?xún)?yōu)于7075鋁合金。

圖5 Ni 60+35% WC涂層試樣和7075鋁合金基體試樣在3.5% NaCl溶液中的磨損率Fig. 5 Wear rates of Ni 60+35% WC coating sample and 7075 aluminum alloy substrate sample in 3.5% NaCl solution

由圖6可見(jiàn)：在3.5%NaCl溶液中磨損后，基體試樣表面存在深犁溝、寬犁溝、黏著特征以及嚴(yán)重的塑性變形，表明基體試樣的磨損機(jī)理是磨粒磨損和黏著磨損的結(jié)合。在3.5% NaCl溶液中磨損后，涂層試樣表面有輕微裂紋，犁溝現(xiàn)象并不明顯，其磨損機(jī)理可以認(rèn)為是磨粒磨損和疲勞磨損的結(jié)合。由于硬質(zhì)WC顆粒在Ni 60+35% WC涂層上呈彌散分布，使涂層具有高硬度，這進(jìn)一步提高了涂層的耐磨性，使涂層保持了較低的磨損率[15]。BOLELLI等[21]報(bào)道了Fe-Cr-Ni-B-C合金涂層也存在類(lèi)似的磨損機(jī)理。

(a) 7075鋁合金

由圖7可見(jiàn)：在3.5% NaCl溶液中磨損后，涂層試樣在其滑動(dòng)面下方存在長(zhǎng)裂紋，符合疲勞磨損機(jī)理。在模擬海洋環(huán)境中，涂層與摩擦副對(duì)磨時(shí)，摩擦裂紋在滑動(dòng)接觸表面涂層下初步形核生長(zhǎng)，并對(duì)滑動(dòng)表面涂層產(chǎn)生剪切作用。在涂層滑動(dòng)磨損過(guò)程中，疲勞磨損機(jī)制對(duì)磨損顆粒的產(chǎn)生起著重要作用，可將其視為微裂紋的萌生和擴(kuò)展過(guò)程。在滑動(dòng)磨損過(guò)程中，NaCl溶液也會(huì)影響磨損顆粒的產(chǎn)生，裂紋尖端容易發(fā)生化學(xué)活化反應(yīng)[19]，特別是氯離子易與金屬發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)雜的化合物[17]，促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展，加速磨損顆粒的生成速率[17-18]。

(a) 7075鋁合金

2.4 涂層在模擬海洋環(huán)境中的電化學(xué)行為

由圖8和圖9可見(jiàn)：隨著靜水壓力的增加，兩種試樣的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位均增加，這是由于隨著靜水壓力的增加，離子活性和溶液電導(dǎo)率增加，反應(yīng)速率提高[22]。相比于7075鋁合金，Ni 60+35% WC涂層的自腐蝕電流密度低得多，尤其是在9 MPa靜水壓力條件下，涂層的自腐蝕電流密度僅為7075鋁合金的1/10。Ni 60+35%WC涂層具有良好的耐蝕性，但是隨著靜水壓力的升高，涂層內(nèi)部缺陷的存在使NaCl溶液在高靜水壓力下滲透到7075鋁合金中，加速了涂層/鋁合金界面處微電偶腐蝕的形成，導(dǎo)致了鋁合金的快速溶解。

(a) Ni 60+35% WC涂層 (b) 7075鋁合金圖8 試樣在不同靜水壓力3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)Fig. 8 Potentiodynamic polarization curves of samples in 3.5% NaCl solutions with different hydrostatic pressures： (a) Ni 60+35% WC coating; (b) 7075 aluminum alloy

(a) 腐蝕電位 (b) 腐蝕電流密度圖9 不同靜水壓力條件下，試樣的腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流密度(Jcorr)Fig. 9 Corrosion potential (a) and corrosion current density (b) of samples under different hydrostatic pressure conditions

3 結(jié)論

(1) Ni 60+35% WC涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙和裂紋少，涂層與鋁合金的結(jié)合屬于機(jī)械結(jié)合，涂層的硬度為871±137 HV0.2，遠(yuǎn)高于7075鋁合金基體。

(2) Ni 60+35% WC涂層的磨損率遠(yuǎn)低于7075鋁合金。7075鋁合金的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和黏著磨損，涂層的磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和疲勞磨損。

(3)高靜水壓力劣化了7075鋁合金和涂層的耐蝕性，兩者的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位均隨著靜水壓力的增大而增大。