Ni60A基复合涂层的制备及其耐蚀性能研究

摘 要：装卸机的抓斗，在服役过程中受到严重的磨损与腐蚀，易使抓斗斗口板失效。Al2O3粉末与镍基自熔性合金粉末Ni60A混合后，用热喷焊工艺在斗口板基体材料表面制备出复合涂层，能有效改善其耐磨耐蚀性能。Al2O3的加入量对Ni60A涂层在不同介质中的耐蚀性能有不同的影响，结果表明，当Al2O3含量为0.5%时，涂层在稀硝酸溶液中的腐蚀速率最小。

关键词：Al2O3；Ni60A涂层；耐蚀性能

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

中图分类号：TG178 文献标识码：A

1 前言

矿山、港口机械中装卸机的抓斗，在服役过程中需要抓取、运送货物，其工作部分抓斗刃口板会受到严重的磨损与腐蚀，且由于工作介质湿度的影响，磨损与腐蚀相互促进，极易造成刃口板的失效。抓斗刃口板材料目前使用较多的是高锰合金钢，价格较贵，且使用寿命较短，需定期更换，使设备的使用成本较高。

在45钢表面上采用热喷焊工艺制备耐磨耐蚀复合涂层，能在有效延长抓斗使用寿命的同时几乎不增加其成本。镍基自熔性合金Ni60A粉末作基底的喷焊涂层具有良好的耐热、抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐磨损等综合性能，是最早和最广泛用于热喷焊的合金，在工程上应用较广。镍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条件的特殊性，为进一步改善涂层的耐磨耐蚀性能，在镍基粉末复合涂层内，添加高硬度、高耐磨且化学稳定性好的Al2O3硬质陶瓷相。Al2O3相的膨胀系数与金属相似，放入金属或合金中不会引起内部应力，还可以使晶粒细化，大大改善合金力学性能。

Al2O3粉末与Ni基自熔性合金粉末混合后，用热喷焊工艺在基体材料表面制备出金属-陶瓷系复合涂层。本文侧重讨论复合涂层的制备以及Al2O3加入量对Ni60A喷焊复合涂层在不同介质中的耐蚀性能的影响。

2 试验方法及条件

将微米Al2O3粉末与Ni基自熔性合金粉末混合后，用熱喷焊工艺在45钢表面制备出金属-陶瓷系复合涂层。腐蚀试验方法采用国标标准。根据抓斗刃口板的服役环境，模拟腐蚀试验的条件，采用中性的氯化钠溶液和酸性的硝酸溶液。其中NaCl浓液浓度为4%、温度设定为50℃、时间设定为144h；硝酸浓液浓度为5%、温度设定为25℃、时间设定为24h。腐蚀速率用失重法计算，公式为V=（W0-W）/st，式中V为腐蚀速率 （g/（m2·h））、W0为试样原重量、W为腐蚀后试样重量、S为原试样表面积、t为腐蚀时间。

3 试验结果与分析

3.1 涂层的微观分析

涂层截面的微观形貌如图1所示，可见涂层与45钢基体间为牢固的冶金结合。当复合粉末喷涂到洁净而粗糙的基体表面上时，焊接时产生的瞬时巨热会使粉末与基体材料都有一定程度的熔融。而在这极薄的熔化层内部两种材料的不同元素间会相互渗透、扩散，形成固溶体合金层，把基体与涂层紧密的结合在一起，而且其结合强度很高。

由图1可见，从左向右依次是45钢基体、过渡层、喷焊层。分别对基体处、过渡层处、涂层表面以及图中白亮点作EDS能谱分析，结果如图2所示。

由图2（a）可知，基体中Fe、Ni元素浓度较高；由图2（b）可知，基体与涂层的过渡界面处Cr、C、Fe、Ni等元素浓度较高；由图2（c）可知，涂层中Cr元素浓度较高，而Ni、Fe元素则较低。比较以上结果可知，原涂层粉末中的Ni元素扩散进入了基体，而原涂层粉末中的Cr元素却几乎没有进入基体。基体中的Fe元素进行了扩散，但扩散距离较短，只能进入过渡层区域，很难扩散到涂层内部。而基体中的C元素却能很好的扩散进入涂层。由此可知，涂层中的Ni元素和基体中的Fe、C元素进行了互扩散，从而使涂层与基体形成了牢固的冶金结合。而界面两侧的元素之所以能够进行互扩散，可认为界面两侧的元素存在大的浓度梯度是根源，喷焊时产生的瞬时高温高热又为这种可能的扩散提供了驱动力。图2（d）表明在涂层基体上弥散分布着的一些白亮点为Al2O3。作为高温陶瓷相的Al2O3其熔点达2050℃，而Ni基自熔性合金粉末的熔点只有1100℃，则Al2O3在涂层中不会熔融烧结，其作为硬质相弥散分布在连续的合金涂层中，弥散强化作用显著。

3.2 涂层的耐蚀性分析

Al2O3的加入量对涂层的耐腐蚀性能分析结果见表1和表2。

从表1及图3可知，不同含量Al2O3复合涂层在NaCl溶液中的腐蚀速率值都很小，说明Al2O3的加入对涂层在中性溶液中耐蚀性能的影响极小。在中性溶液中，氢离子浓度较小，析氢反应电位较低，不可能发生阴极的析氢反应。而此时溶液中溶解氧的还原反应电位较正，所以只能发生氧去极化的阴极反应。此时复合涂层中的合金元素将会发生阳极溶解，而阳极溶解主要发生在合金表面的化学活性部位。而由于复合涂层中Ni、Cr、Al等易钝化元素的存在，合金表面能基本形成完整的钝化膜，所以合金表面化学活性很弱，不易被腐蚀。虽然由于Cl-的存在，会破坏合金的钝态，但Cl-对钝化膜的破坏作用并不是发生在整个金属的表面，而是带有局部点状腐蚀的性质，因此涂层在整个腐蚀体系中的腐蚀量很小。

从表2及图4可知，Al2O3的加入对复合涂层在稀硝酸溶液中的耐腐蚀性能有较大的提高，当Al2O3的加入量达到0.5%时，腐蚀速率降低到最小值 14.93 g/（m2·h），而不含Al2O3的涂层腐蚀速率最高达18.17g/（m2·h）。由于涂层在稀硝酸溶液中发生的是选择性腐蚀，硬质相处于钝态，是腐蚀过程中的阴极，不易被腐蚀；而基体处于活性状态，发生阳极溶解，易被腐蚀。当基体被腐蚀到一定阶段后，弥散分布在基体中的硬质相由于周围包覆的基体渐渐因为被腐蚀而剥落，硬质相失去基体的包覆而渐渐突出直至脱落，成为腐蚀产物。而添加了一定数量Al2O3的涂层，由于弥散强化的作用使基体组织明显细化，此时基体被腐蚀时，腐蚀行为不易持续进行，从而降低其腐蚀速率，提高整个材料的耐腐蚀性能。

4 结论

（1）热喷焊工艺制备出的复合涂层与基体间呈现冶金结合， 且结合强度较高。

（2）在中性氯化钠溶液中，复合涂层的腐蚀量很微小，Al2O3的加入量对其耐蚀性能几乎没有影响。

（3）Al2O3的加入对复合涂层在稀硝酸溶液中的耐腐蚀性能有所提高，当Al2O3含量为0.5%时，其腐蚀速率最小。

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