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(yuǎn) 孫振旭 張旭昀 畢鳳琴

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(yuǎn)1孫振旭2張旭昀1畢鳳琴1

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.中國石油集團長城鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(jìn)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(jīng)過極高冷卻速度獲得的新型金屬材料，其結(jié)構(gòu)與液態(tài)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(jié)構(gòu)上無位錯、晶界等缺陷，因此具有優(yōu)于相應(yīng)晶體材料的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)。1967年，Duwez P和Lin S C H開發(fā)了第1個Fe-P-C系非晶軟磁合金[1]。2003年，Ponnambalam V等研究開發(fā)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(yōu)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(yōu)異，可以作為耐磨耐蝕材料，但其韌性、塑性較差，制約了其應(yīng)用發(fā)展[5]。近年來，隨著活性燃燒高速燃?xì)鈬娡?Activated Combustion High Velocity Air Fuel,AC-HVAF)技術(shù)的發(fā)展，利用該技術(shù)可以獲得高致密度、低氧化物含量的高質(zhì)量鐵基非晶合金涂層[6]，成為非晶涂層走向工業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域的突破口之一。為此，國內(nèi)外研究學(xué)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(fā)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(shù)將它們制備成了具有優(yōu)異耐磨耐蝕性能的非晶涂層，并已成功應(yīng)用于國家國防艦艇防護(hù)、核電核廢料儲存等領(lǐng)域[7]。我國研究學(xué)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(jìn)行了廣泛研究。非晶涂層在腐蝕、摩擦、磨損等嚴(yán)苛環(huán)境中展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，為材料腐蝕防護(hù)研究提供了嶄新的方向。

實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，載荷和腐蝕是非晶涂層不可避免并導(dǎo)致失效的關(guān)鍵影響因素。一直以來，研究學(xué)者們普遍關(guān)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(huán)境中的服役行為。因此，隨著新型AC-HVAF技術(shù)的發(fā)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(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)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(guī)律進(jìn)行了研究，為非晶涂層在載荷和腐蝕環(huán)境中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 外載荷對非晶涂層性能的影響

非晶涂層在工業(yè)應(yīng)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(jìn)行了摩擦磨損實驗，結(jié)果顯示非晶涂層在摩擦磨損過程中摩擦表面會發(fā)生表面硬化，表面硬化會降低涂層耐磨性，進(jìn)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(jìn)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(yōu)異耐磨性的先決條件。

非晶涂層作為一種高強度亞穩(wěn)態(tài)材料，在使用過程中還會承受拉伸載荷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致斷裂。傳統(tǒng)晶體材料的斷裂準(zhǔn)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(zhǔn)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(yè)應(yīng)用環(huán)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(lián)合作用，如在腐蝕介質(zhì)中的磨損、腐蝕介質(zhì)中的拉伸。腐蝕介質(zhì)的存在使得在外載荷作用時非晶合金性能變得極不穩(wěn)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(guī)律至關(guān)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(zhì)中的磨損行為不同于純磨損，材料在腐蝕介質(zhì)中受到小而松散的流動粒子沖擊，在表面會出現(xiàn)磨損破壞，即沖刷腐蝕(簡稱沖蝕)。Wang Y等[6,13，18]進(jìn)行了沖蝕實驗，結(jié)果表明在NaCl介質(zhì)中，非晶涂層沖蝕損害與Cl-濃度之間存在一定的相關(guān)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(xué)沖刷作用下，非晶涂層表面鈍化膜穩(wěn)定性不高，鈍化膜發(fā)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(zhì)中非晶涂層還會承受外部拉應(yīng)力作用，容易引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂(承受應(yīng)力的材料在腐蝕性環(huán)境中由于裂紋擴展而發(fā)生失效的一種現(xiàn)象)。文獻(xiàn)[19～22]進(jìn)行了大量的不銹鋼應(yīng)力腐蝕實驗，結(jié)果表明隨著應(yīng)變速率的不斷增大，應(yīng)力腐蝕敏感性先增大后減??；應(yīng)力腐蝕是從材料表面鈍化膜破壞發(fā)生點蝕開始，逐步在裂紋源擴展，最終導(dǎo)致不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷裂；隨著外載荷的不斷增大、Cl-濃度的不斷升高，應(yīng)力腐蝕時間越短，耐腐蝕性越差。但鐵基非晶涂層具有更穩(wěn)定的鈍化膜，而且自身結(jié)構(gòu)無缺陷，氫滲透行為的差異性大，因此在應(yīng)力腐蝕機理方面，可能呈現(xiàn)出與不銹鋼截然不同的失效行為。非晶合金在低溫范圍內(nèi)主要發(fā)生剪切塑性變形，容易沿單一剪切帶直接發(fā)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(zhǔn)則”[23]。目前，對于非晶合金應(yīng)力腐蝕機理的研究并不全面[24]，相關(guān)作用機制仍然需要更加深入和全面的了解。

3 結(jié)束語

近年來，研究學(xué)者們對鐵基非晶涂層的制備和性能進(jìn)行了廣泛的實驗研究，并取得了較大的進(jìn)展。但目前非晶涂層在多因素耦合環(huán)境中的服役行為還不明朗，在理論和實際應(yīng)用中還存在一些基本科學(xué)問題，特別是對非晶在力學(xué)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(jìn)非晶涂層的進(jìn)一步實際應(yīng)用，是促使鐵基非晶涂層快速成熟應(yīng)用的一個必要條件。

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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(xué)基金項目(51401051)。

王勇(1979-)，副教授，從事材料腐蝕與防護(hù)的研究。

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

TQ138.1

A

0254-6094(2017)04-0394-03

2016-11-09，

2016-12-05)

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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