mo基非晶涂層的制備及其耐腐蝕性能研究

mo基非晶涂層的制備及其耐腐蝕性能研究

在腐蝕性方面，非晶態(tài)合金具有短程有序、結(jié)構(gòu)均勻、無晶體缺陷等特點，表現(xiàn)出非常優(yōu)秀的性能。其中,Fe基非晶合金具有高強度、高硬度、高的耐腐蝕特性和高晶化溫度等特點,非常適合于制備惡劣服役環(huán)境中使用的材料。但直至目前,非晶合金在實際中還沒有得到大范圍推廣應(yīng)用,其性能優(yōu)勢遠未能夠充分發(fā)揮出來。限制非晶合金應(yīng)用的最主要因素是其產(chǎn)品形態(tài)主要為薄帶、細絲、粉末等,厚度或直徑只有數(shù)十個微米,無法得到大塊體非晶材料。涂層技術(shù)是一個理想的解決途徑,Kishitake等采用各種熱噴涂方法制備非晶涂層,發(fā)現(xiàn)只有用等離子噴涂獲得了純非晶涂層,其他熱噴涂技術(shù)獲得非晶晶相混合的涂層。利用等離子噴涂技術(shù)快速冷卻特性,可以在金屬表面獲得大面積的、有較大厚度的非晶合金涂層,很大程度上擴展了非晶合金應(yīng)用范圍。在等離子噴涂Fe基非晶涂層過程中,涂層被氧化和涂層中存在氣孔等缺陷,在腐蝕的過程中耐蝕性能變差,并沒有表現(xiàn)出塊體非晶所具有的強耐腐蝕性能。王丹等認為,制備非晶合金時,為了提高非晶合金的耐蝕性,可以在合金中加入Nb、Mo、Ta等元素。但是非晶合金中加入某些元素后會降低非晶合金的形成能力。為了進一步提高Fe基非晶涂層的耐蝕性能,本文將一種Mo基合金粉末加入到Fe基非晶粉末中,采用等離子噴涂技術(shù)制備出涂層,研究加入不同比例Mo基合金粉末后形成涂層的耐蝕性能。1涂層制備與物相分析選用一種Fe基非晶粉末和一種Mo基合金粉末作為噴涂原料,其成分見表1;兩種粉末的XRD衍射圖譜如圖1所示。粉末用氣霧法獲得,形狀很規(guī)則,基本為表面圓滑的球形顆粒,粒子大小主要分布在50μm左右。粉末分為三組,每組取Fe基非晶粉末100g,Mo基合金粉末分別為10、20和30g,分別記為Mo-1、Mo-2和Mo-3,其質(zhì)量百分含量分別為9%、17%和20%,經(jīng)機械球磨混合2h后再進行噴涂。涂層制備采用等離子噴涂法,設(shè)備為GP-80型大氣高效等離子噴涂機,基材為45鋼,尺寸15mm×5mm×60mm。噴涂前基體表面經(jīng)除銹、除氧化皮、除油等清潔化處理和噴砂粗化活化處理。噴涂參數(shù)見表2,涂層厚度0.3mm。涂層制備完成后,采用D8X射線衍射儀對涂層進行物相分析。用JSM5610-LV掃描電鏡分析涂層截面的顯微結(jié)構(gòu)。采用恒電位儀(EG&GPotentiostat/GalvanostatModel273)測定涂層在w(NaCl)=3.5%水溶液中的陽極極化曲線。試樣作為陽極,參比電極為飽和甘汞電極,輔助電極為鉑片,掃描速度為20mV/min。采用FQY/SH010型鹽霧腐蝕試驗機對不同比例的涂層進行168h鹽霧腐蝕試驗,用數(shù)碼相機近距拍攝涂層經(jīng)鹽霧腐蝕后的照片。2結(jié)果與分析2.1機械阻燃涂層圖2為非晶涂層截面掃描照片。可看出,涂層組織均勻一致,并未出現(xiàn)性質(zhì)差異的區(qū)域。說明Mo基合金粉末與Fe基非晶粉末機械混合良好,在噴涂過程中也未出現(xiàn)物質(zhì)偏聚現(xiàn)象。本涂層比較致密,氣孔較少且分布均勻,很少集中出現(xiàn)大孔隙。噴涂粉末熔化良好,涂層與基材結(jié)合緊密,但還是主要表現(xiàn)為機械結(jié)合。結(jié)合面處出現(xiàn)了較大孔隙,這是因為基體表面較深坑洞所致。2.2mo基合金粉末Mo基合金粉末加入Fe基非晶粉末后噴涂形成的涂層為純非晶,如圖3所示。Mo基合金粉末中的Fe3Mo、MoB、Fe3B和Fe0.54Mo0.73等晶體相和Fe基粉末中Fe晶體相經(jīng)過粉末球磨機械混合和等離子噴涂快速加熱和快速冷卻過程而消除。文獻中指出,非晶合金中加入某些元素后會降低非晶合金的形成能力,在Fe基非晶粉末中單純加入Mo粉末勢必會降低其非晶形成能力。但Mo基合金粉末加入后,并沒有降低涂層中非晶含量,相反的得到了純非晶的涂層。這主要歸因于兩個方面,一是加入的Mo基合金粉末中非晶含量本來就比較高,當這種粉末與Fe基非晶粉末在球磨機中混合時,通過機械摩擦會誘導產(chǎn)生非晶相,使得粉末表面非晶化程度進一步提升。另一方面就是等離子弧噴涂的特性,等離子弧溫度非常高,可達3000℃,當噴涂粉末快速送到等離子弧焰流中心即被快速熔化,然后又以接近音速的速度撞擊粘附到冷的基體表面,以很大冷卻速度發(fā)生凝固,形成非晶涂層。2.3涂層腐蝕能力和腐蝕風險Fe基非晶涂層和加入3種Mo基合金粉末后的涂層在w(NaCl)=3.5%溶液中的極化曲線如圖4所示。由圖4(a)可看出,Fe基非晶涂層自腐蝕電位為-477.4mV,腐蝕電流為819μA。陽極電流密度隨陽極極化電位的升高而快速增加,沒有出現(xiàn)明顯的鈍化區(qū)。圖4(b)為Mo基合金粉末加入后形成涂層的極化曲線?？煽闯?電流密度隨極化電位的升高緩慢增大,出現(xiàn)明顯的鈍化傾向,鈍化區(qū)域最寬達600mV。雖然自腐蝕電位略有降低,但腐蝕電流密度降低了很多,最低只有30μA,表明涂層表面形成了致密穩(wěn)定的鈍化膜,起到了較好的隔離防護作用。加入不同質(zhì)量分數(shù)的Mo基合金的涂層也有一定的差異,Mo-2和Mo-3相比Mo-1涂層具有更高的腐蝕電位和更低的電流密度,且隨極化電位升高,腐蝕電流增加地更加緩慢,不像Mo-1以較快速度增加到110μA然后再緩慢增加,而是在較低電流密度時就出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。隨著Mo基合金粉末加入,涂層更早發(fā)生鈍化現(xiàn)象,且電流密度長時間保持在很小范圍,涂層耐腐蝕能力得到提升。圖5為涂層腐蝕前后的照片?？煽闯?Mo-1涂層中具有大量銹斑,銹斑的顏色較深,呈黑灰色,腐蝕程度高。相比Mo-1涂層,Mo-2和Mo-3涂層腐蝕銹斑少了許多,且顏色變淺,腐蝕的銹斑只在局部區(qū)域連成一片。Mo-3涂層大面積銹斑更加少,這歸咎于Mo和Cr元素的共同作用,Mo和Cr都可以在涂層表面形成富含Cr和Mo的鈍化膜,并且Mo比Cr具有更寬的鈍化區(qū)域,因此Mo基合金粉末加入后能夠顯著提高涂層抗腐蝕性能。另外Mo元素與Cr元素同時存在時,對促進了Cr離子在膜內(nèi)的富集,進一步提高合金的耐蝕性。3mo基合金粉末加入量(1)Mo基合金粉末加入Fe基非晶粉末中,經(jīng)過等