CoCrMnNiMo_x高...涂层的组织和耐磨耐蚀性研究_张欣.pdf

1 高熵合金涂层的组织和耐磨耐蚀性研究张 欣，蒋淑英，杨昊炎，张恒玮，胡伟伟（中国石油大学（华东）材料科学与工程学院，山东 青岛）摘 要 为了提升钢制结构表面的耐磨耐蚀性能，采用激光熔覆技术在 基体上制备了（，）系 种不同成分的高熵合金涂层，研究了 含量变化对高熵合金组织与耐磨耐蚀性的影响。结果表明：涂层结构为单一 相，随 含量的增加，涂层硬度提升，平均维氏硬度高达，相较于 基体硬度（）提升了 倍；摩擦系数先降低后增加，含量为 时达到最低（），相比于 基体降低了；熔覆层磨损机理由黏着磨损变为磨粒磨损，耐磨抗力增加。熔覆层动态腐蚀与静态腐蚀皆在 时达到最优。与基体相比，含量为 时的动态腐蚀电位上升了 ，腐蚀电流密度下降了 个数量级。但由于磨损对腐蚀的促进作用，熔覆层耐蚀性较静态腐蚀相比均有较大程度降低。腐蚀磨损耦合测试结果表明，随 含量的增加，电位先逐渐增加后又降低，含量为 时电位达到最高（），摩擦状态下耐蚀性能最好，相比于 基体（）提升了 ，很好地改善了基体表面的耐磨蚀性能。试样腐蚀下的摩擦系数先增加后减小，除 摩擦系数较高，其余成分在稳定磨合阶段的摩擦系数均较低，腐蚀条件下耐磨性能相对较好。关键词 高熵合金涂层；激光熔覆；显微组织；耐磨性；耐蚀性中图分类号 文献标识码 ：文章编号（），（，（），）：，（，）（），（），（），（），（），：；收稿日期 基金项目 山东省自然科学基金面上项目（）资助 通信作者 蒋淑英（），副教授，博士，研究方向为材料焊接新技术及新材料连接技术、材料复合与组装、材料失效与表面改性，：1 前 言 钢作为油套管用钢材在油田开采中被广泛使用，油套管通过相邻的接箍连接成上千米的传输管线，在采油过程中常因腐蚀和磨损等问题发生破损造成传输管线失效或其使用寿命严重缩短。同时，伴随着海洋油气资源开发步伐的不断加快，钢结构大量出现在海上，尤其是在海上作业平台等重要环节，关键零部件的防腐问题不容忽视，。研究开发防腐蚀材料，在加强钢结构稳定性的同时，能够在一定程度上减少腐蚀引起的各种经济损失，因此，有必要设计高耐磨耐腐蚀材料或提高 钢的耐磨耐腐蚀性能。一个好的方法是在 钢表面制备耐磨耐蚀性涂层，以提高 钢在海水或腐蚀环境中的耐腐蚀和耐磨性能。通过打破经典的合金设计理念，设计出高熵合金（）这种含有五个或更多原子分数相等或接近相等的主要元素的合金。由于高混合熵效应，倾向于形成面心立方（），体心立方（）或六方密包（）结构的无序固溶体，而不是复杂的金属间化合物。高熵合金中多种元素的随机排列导致特定的局部无序化学环境，预期其获得独特的耐腐蚀行为。然而从经济方面来看，由于合金元素昂贵，通过铸造合成块状 的成本较高，而利用激光熔覆等技术在碳钢表面制备高熵合金涂层，不仅可以提高工件的性能，还能节省贵金属的使用。因此，高熵合金表面涂层技术及其应用开发具有重要意义，。是一种熔点较高的金属，具有固溶强化作用，加入 元素可以使熔覆层的强度、硬度、耐磨性得到改善，使熔覆层具备优异的高温力学性能和耐蚀性，目前有关 元素对高熵合金涂层耐磨耐蚀性的影响的研究报道还比较少。因此，在传统的铬、钴、锰、镍合金中加入 元素，研究其微观结构和耐磨耐蚀性，有望获得新型的高熵合金涂层材料。本工作以 钢为基体材料，在其表面激光熔覆制备不同 含量的高熵合金涂层，并研究了涂层的显微组织、相结构以及其耐磨耐蚀性能。实 验 涂层制备选用 钢作为基底材料，使用研磨机和砂纸打磨，去除表面铁锈及氧化物，后用丙酮和无水乙醇清洗以保证基材表面清洁，清洗后吹干待用。将纯度大于的、金属粉末（粉末粒度为 目），按照预定物质的量比 （、）进行混合并搅拌均匀，采用 型二氧化碳激光器，预置铺粉法进行熔覆层制备，经过反复试验，当功率为 ，光斑尺寸为 ，扫描速度为 ，搭接率为 时，得到成型良好的（、，摩尔比）熔覆层。结构表征采用 型 射线衍射分析仪进行物相分析。参数为 射线，管电压 ，管电流，扫描范围为 ，扫描速率 （）。采用 电子探针显微分析仪并结合 能谱仪观察高熵合金涂层的微观结构和化学组成。性能测试使用 型显微维氏硬度计测量试样涂层的显微硬度，测试加载载荷 ，加载时间 。采用 可控气氛微型摩擦磨损试验仪完成摩擦磨损检测，载荷设为 ，测试时间为 。试验前、后均将试样浸入丙酮中并进行超声清洗，再用电子天平称量，以确定试样的平均失重量。采用科斯特 电化学工作站，以测试试样在模拟海水条件（溶液）中的抗腐蚀性能，实验采用碳棒为对电极，（饱和 溶液）电极为参比电极，试验温度为室温。伏安线性扫描测试范围为相对开路电位，扫描频率为 。采用 型往复电化学腐蚀摩擦磨损实验仪，检测试样在摩擦腐蚀交互作用下的耐磨蚀性能，实验所加载荷为 。结果与讨论 微观组织图 为 种不同 添加量熔覆层及 基体的 谱及其局部放大图，对比分析得出熔覆层为单一 结构。从谱中可以看出，衍射峰宽度窄且尖锐，说明 种成分熔覆层的结晶度高；随着 含量的增加，大角度衍射峰高度下降，这是因为 元素具有较大的原子半径，造成晶格畸变，使角度增大，漫反射增强，衍射峰强度减弱。从图 局部放大图可以看出，当 含量为 时，衍射峰左移，即对应衍射峰的角度减小。这是因为当具有大原子半径的 元素含量较低时倾向于作为溶质原子固溶到固溶体中诱导晶格膨胀，晶格常数增大，当 含量为 时，衍射峰向右偏移，这是因为随着 元素含量增大，原子达1 到了固溶极限，形成化合物，晶格畸变效果减弱，晶格常数减小，衍射峰右移。图 激光熔覆涂层及 基体 谱 图 为 种成分涂层元素分布图，从图中可以看出，、元素在晶间有较显著的富集，而且随着 添加量的增加，富集程度加强；熔覆过程从基体熔入的 元素也在晶间略有富集，与、富集位置一致，与金相 组 织 中 观 察 到 的 黑 色 颗 粒 相 对 应，形 成 了的化合物，但由于量少且细小，未检测到该相的存在；随着 元素含量的增加，元素的分散度先增大后减小，中 元素的分散度最大，说明其碳化物颗粒最细小；元素在晶内略有富集，其余元素分布均匀。1 图 涂层元素分布图 使用 对涂层不同形貌结构拍照并进行点元素分析，打点位置如图 所示，其中枝晶间区域、枝晶区域和晶间析出相分别记为、，分析结果如表。可以看到，涂层中各元素分布相对均匀，没有明显的成分偏析；涂层中、倾向于在晶间析出相富集（点）；涂层中各元素分布均匀，由于晶间析出相极为细小，没有测出明显的成分偏析；涂层中、又重新在晶间析出相富集（点）。点成分分析结果与面成分分析一致，再一次证明了晶间析出相为 的化合物。种熔覆层中 元素均倾向于在晶间富集，且随着 元素含量的增加，富集程度先增大后减小再增大，富集程度最轻。、在晶间富集形成的碳化物将加剧晶间腐蚀的产生，使涂层抗晶间腐蚀的性能降低。表 激光熔覆涂层点元素分析结果（原子分数）（）试样成分扫描位置 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点 点11 图 涂层 形貌 硬度及耐磨性分析 显微硬度 种成分涂层截面显微硬度的测试结果见图。图 激光熔覆涂层截面显微硬度折线图 依次为涂层、热影响区和基体。从图中可以看出，随着 添加量的增加，涂层的硬度略有上升，但变化不大，而 涂层的硬度陡升，平均维氏硬度达 左右，相较于 基体的硬度（）提升了 倍。涂层与基体间热影响区由于涂层与基体元素的相互溶解和扩散，导致其除了基体元素之外，还有大量涂层元素，形成了强烈的固溶强化和析出强化效果，其硬度较基体有大幅度提升，使硬化层深度达到 左右，大大增加了硬化层深度。耐磨性分析由图 摩擦系数曲线图可以看出，种成分熔覆层及 基体均存在明显的跑合阶段，并且其曲线均呈锯齿状，这说明摩擦过程中存在磨粒不断脱落和消除的过程。基体摩擦系数最高，熔覆层随 含量的增加，摩擦系数先降低后又增加，在 处获得最小值（）。图 激光熔覆涂层及 基体摩擦系数图 111 由图 磨损失重分析发现，基体的磨损失重最高，随 元素添加量的增加，熔覆层磨损失重逐渐降低。磨损失重最低（），次之。图 为涂层的干摩擦磨痕形貌，从图 可以看出，试样和 试样磨痕处存在明显被撕脱的痕迹，发生了黏着磨损，这是由于涂层自身硬度较低，磨损时容易发生塑性变形，使接触点发生黏着，并被撕裂。而随着 添加量的增加，磨痕中，被撕脱起的磨粒越来越少，且磨痕深度也逐渐降低，磨损机理从黏着磨损转为磨粒磨损，耐磨抗力增加，与图 所测试的涂层硬度逐渐增加以及图 磨损失重逐渐减少的结果相符合。这意味着，的加入可以提高涂层硬度，降低黏着磨损的发生率，从而提升涂层的耐磨性能。图 激光熔覆涂层及 基体磨损失重图 图 涂层干摩擦磨痕形貌 耐蚀性分析图 为基体及 种熔覆层试样在 溶液中的塔菲尔极化曲线，其拟合的相关参数见表。从图 及表 可以看出，基体腐蚀电位最低，腐蚀电流密度最大。熔覆层的制备能够提升 表面的耐腐蚀性能。并且，随着 添加量的增加，熔覆层腐蚀电位先升高再降低，的腐蚀电位最高，相比 基体升高了 ，的次之；腐蚀电流密度先减小后增加，的腐蚀电流密度数值最小，相比于基体 下降了 个数量级。腐蚀电位越高表示发生锈蚀的可能性越小，腐蚀电流密度越小表示腐蚀速率越慢，综合 种成分熔覆层的腐蚀电位和腐蚀电流密度数据可以知道，的自腐蚀速率最低，耐蚀性最好，这与 涂层成分分布最均匀的结果一致。11 图 激光熔覆涂层塔菲尔极化曲线图 表 激光熔覆涂层塔菲尔极化曲线参数拟合 （）（）（）（）（）图 为 激光熔覆涂层 阻抗及其局部放大图。从图 可以发现 基体及 种成分试样的 曲线都呈半圆弧形状，即单一容抗弧。等效电路如图 所示，其中 表示溶液电阻，表示双电层电容，和 为表示 阻抗的两个参数，且 的数值范围在 之间，表示电荷转移电阻。由表 的拟合参数可以看出，基体的阻抗值最低，同时随着 添加量的增加，溶液电阻（）以及电荷转移电阻（）均先升高后降低，在 处达到峰值。这表明熔覆层抗腐蚀能力随着 含量的增加先升高后降低，涂层的耐蚀性能最好；且 阻抗图的容抗弧半径越大，意味着在腐蚀过程中电荷传导的阻力就越大，涂层就越耐蚀。从图 中可以看出，基体容抗弧半径最小，的容抗弧半径最大，同拟合结果一致。耐磨蚀性分析图 为 激光熔覆涂层摩擦条件下塔菲尔极化曲线图，其拟合的相关参数见表。由图 可知，所测磨损条件下的极化曲线与静态时趋势一图 激光熔覆涂层 阻抗及其局部放大图 图 阻抗拟合电路图 表 激光熔覆涂层电化学阻抗参数拟合 （）（）（）（）致。但是对比表 及表 的数据可知，相同种类熔覆层在磨损条件下所测得的腐蚀电位下降、腐蚀电流增11 大了接近 个数量级，这是由于磨损对腐蚀具有较强的促进作用。结合图 及表 可以看出，随着 含量的增加，熔覆层在摩擦条件下的腐蚀电位先升高再降低，的腐蚀电位最高，相比于 基体上升了；腐蚀电流密度同样在 时达到最小，相比于 基体降低了 个数量级。图 激光熔覆涂层摩擦条件下的塔菲尔极化曲线图 表 激光熔覆涂层摩擦条件下塔菲尔极化曲线参数拟合 （）（）（）（）（）基体 由图 熔覆层腐蚀磨损耦合测试电位曲线可以看到，种熔覆层的电位随着 含量的增加先增加后又降低，在 处电位达到最高（），此时涂层摩擦状态下耐蚀性能最好。相比于 基体，所制备的熔覆层电位均有较大程度提升，说明在基体表面制备熔覆层能较好地提升基体表面的耐磨蚀性能。此外，熔覆层电位均能恢复到加载之前的状态，表明钝化膜恢复性能优异。由熔覆层腐蚀磨损耦合测试摩擦系数曲线图（图）可知，随 元素含量增加，试样摩擦系数先增加后减小，除 摩擦系数较高，其余成分在稳定磨合阶段图 激光熔覆层腐蚀磨损耦合测试电位曲线 的摩擦系数均较低，腐蚀条件下耐磨性能相对较好。从前面的组织分析和成分分析可以看出，涂层晶间析出相颗粒最大，、在晶间富集最严重，因此其钝化膜最不均匀，粗糙度最大，因此在腐蚀介质中摩擦系数最大；其余 种涂层、在晶间的富集程度都比较轻微，因此钝化膜比较均匀，粗糙度较小，在腐蚀介质中的摩擦系数也较小。另外，腐蚀介质可以起到一定的润滑作用，较干摩擦下的摩擦系数略微降低。而 表面不能形成稳定的钝化膜，在腐蚀介质润滑作用下表现出低摩擦系数。涂层在