地鐵車輪熔覆涂層、界面和基體的耐腐蝕性對(duì)比研究

孫慶輝 王 溯 肖 乾 楊文斌 顏 穎 黃若輝

（1.江西瑞曼增材科技有限公司，江西 南昌 330213；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西 南昌 330013；3.江西制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江西 南昌 330224）

0 引言

激光熔覆修復(fù)技術(shù)是一種利用高能激光束在基體材料表面熔覆高性能合金涂層的先進(jìn)表面缺陷修復(fù)技術(shù)，在機(jī)械、交通、化工和礦山等領(lǐng)域的金屬零部件修復(fù)方面具有重要作用[1-2]，在地鐵車輪局部損傷的修復(fù)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。然而激光熔覆形成的熱影響區(qū)使熔覆材料的涂層、界面和基體位置的綜合性能具有明顯差異[3]。目前，已有學(xué)者研究了車輪表面局部激光熔覆修復(fù)涂層的滾動(dòng)接觸性能，但尚未研究修復(fù)涂層界面位置的腐蝕機(jī)制。地鐵列車在潮濕環(huán)境中運(yùn)行，界面位置典型的腐蝕機(jī)制可能會(huì)引起應(yīng)力集中，在滾動(dòng)接觸過程中易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致涂層剝落，嚴(yán)重影響列車行駛過程中的安全。因此，該文利用電化學(xué)試驗(yàn)及浸泡試驗(yàn)重點(diǎn)研究了地鐵車輪表面局部激光熔覆修復(fù)涂層、界面和基體的耐腐蝕能力差異性，可為地鐵列車車輪局部損傷激光熔覆修復(fù)工藝開發(fā)和修復(fù)車輪的運(yùn)用、維護(hù)提供有益幫助。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣制備

采用線切割的方式從ER9 材料的地鐵列車車輪踏面以下5mm 處切取激光熔覆試樣。采用激光加工設(shè)備和同軸送粉、多道搭接方式制備熔覆層。激光功率為1600W，掃描速率為7.5mm/s，光斑直徑為4mm，搭接率為50%，保護(hù)氣體為Ar，在樣品表面進(jìn)行三層激光熔覆試驗(yàn)。激光熔覆采用的材料為Fe 基和Co 基粉末。車輪鋼基體、Fe 基粉末及Co 基合金粉末的化學(xué)元素原子百分比見表1。

表1 ER9 車輪鋼、Fe 基及Co 基粉末化學(xué)成分表

采用線切割機(jī)切取腐蝕試驗(yàn)分析試樣，切取尺寸為10mm×10mm×10mm 的正方體試樣，一部分用來進(jìn)行鹽水浸泡腐蝕試驗(yàn)，將另一部分正方體試樣沿界面位置的冶金結(jié)合面和平行于界面的基體面切成3 份，分別對(duì)樣品的涂層表面、界面位置和基體位置進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)。電化學(xué)試驗(yàn)樣品切割前、后照片如圖1 所示，其中2 條黑線為切割線，網(wǎng)紋平面為電化學(xué)測(cè)試面。

圖1 電化學(xué)試樣切割示意圖

1.2 分析方法

利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)涂層、界面和基體的形貌特征進(jìn)行觀察，同時(shí)采用掃描電子顯微鏡配備的能譜儀（EDS）分析涂層、界面和基體微區(qū)的元素組成。利用拋光機(jī)將試樣橫截面打磨拋光，浸泡于無水乙醇中，利用超聲波清洗機(jī)清洗，去除油污。將樣品浸泡于300mL 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中進(jìn)行腐蝕。鹽水腐蝕分為8 個(gè)周期，共計(jì)30 天，每個(gè)周期結(jié)束后，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察橫截面試樣涂層、界面和基體位置的腐蝕形貌，并對(duì)涂層、界面和基體微區(qū)的成分進(jìn)行分析。

利用電化學(xué)工作站對(duì)不同試樣進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，工作電極分別為涂層、熱影響區(qū)和基體試樣，參比電極是飽和甘汞電極，輔助電極是Pt 電極。電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液。電化學(xué)阻抗譜（EIS）的測(cè)試頻率為0.01Hz~105Hz，交流電信號(hào)（AC）的振幅為10mV。以0.5mV/s 的掃描速度在-0.8V~1.2V 進(jìn)行動(dòng)電位極化測(cè)試。需要注意的是，在阻抗和動(dòng)電位極化測(cè)試之前需要靜止浸泡10min，以確保開路電位穩(wěn)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)分析

Fe 基樣品利用硝酸酒精溶液腐蝕后和Co 基樣品利用王水腐蝕后掃描電子顯微鏡下涂層和界面位置的金相組織如圖2所示。由圖2（a）、圖2（c）可以看出，F(xiàn)e 基熔覆涂層和Co 基熔覆涂層均形成了均勻的共晶組織和枝晶組織，但兩者組織形貌具有明顯差異，F(xiàn)e 基熔覆涂層組織形貌為“胞狀”，而Co 基熔覆涂層組織形貌為“蜂窩狀”?？梢悦黠@看出，Co 基熔覆涂層組織更致密，有明顯的共晶體骨架。由圖2（b）、圖2（d）可以看出，F(xiàn)e 基和Co 基熔覆涂層均存在明顯的界面現(xiàn)象，F(xiàn)e基和Co 基熔覆涂層靠近界面位置的組織結(jié)構(gòu)比涂層遠(yuǎn)離界面的位置更疏松。

圖2 Fe 基、Co 基熔覆試樣涂層及界面位置的金相組織

2.2 耐腐蝕性能測(cè)試分析

2.2.1 電化學(xué)測(cè)試分析

Fe 基和Co 基激光熔覆試樣涂層、熱影響區(qū)及基體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中的動(dòng)電位極化曲線如圖3 所示，F(xiàn)e 基和Co 基激光熔覆試樣涂層、熱影響區(qū)及基體極化曲線擬合結(jié)果見表2、表3。

圖3 Fe 基、Co 基熔覆試樣動(dòng)電位極化曲線

表2 Fe 基試樣極化曲線擬合結(jié)果

表3 Co 基試樣極化曲線擬合結(jié)果

擬合結(jié)果是采用Tafel 外推法并通過極化曲線得到的結(jié)果，由此表征2 種樣品涂層表面、界面和基體位置的腐蝕性能，并根據(jù)公式（1）計(jì)算得出極化電阻Rp的數(shù)值。

式中：βa為陰極極化斜率；βc為陽極極化斜率；Icorr為腐蝕電流密度。

一般具有較高的自腐蝕電位（Ecorr）和較低的自腐蝕電流密度（Icorr）的材料擁有更好的耐腐蝕性。從圖3（a）及表3 可以看出，涂層、界面熱影響區(qū)和基體的Ecorr分別為-0.38V、-0.64V 和-0.71V，說明Fe 基熔覆試樣涂層耐腐蝕性最好，界面熱影響區(qū)次之，基體的耐腐蝕性最差。并且可以看出涂層出現(xiàn)了明顯的鈍化現(xiàn)象，表明在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液的腐蝕過程中，激光熔覆Fe 基局部修復(fù)涂層生成了鈍化膜[4]。從表3 可以看出，F(xiàn)e 基試樣涂層、界面熱影響區(qū)和基體的Icorr分別為（5.47×10-7）A/cm2、（1.37×10-6）A/cm2和（1.66×10-6）A/cm2，說明樣品涂層表面位置腐蝕速率最慢，基體位置的腐蝕速率最快。極化電阻大分別為（1.16×104）Ω、（5.31×103）Ω 和（3.40×103）Ω，根據(jù)法拉第-歐姆定律[5]，電化學(xué)腐蝕速率與極化電阻大小成反比，也說明Fe 基試樣涂層腐蝕速率最慢，基體腐蝕速率最快，界面熱影響區(qū)腐蝕速率介于Fe 基試樣涂層與基體之間，這與Icorr數(shù)據(jù)得到的結(jié)論一致。對(duì)圖3（b）及表3 的分析可知，Co 基樣品動(dòng)電位極化曲線涂層、界面和基體位置的Ecorr分別為-0.36V、-0.63V 和-0.72V，說明Co 基樣品涂層位置的耐腐蝕性最好，界面位置次之，基體的耐腐蝕性最差并且Co 基試樣涂層耐蝕性優(yōu)于Fe 基試樣涂層的耐腐蝕性。涂層、界面和腐基體位置的Icorr分別為（2.95×10-7）A/cm2、（1.18×10-6）A/cm2和（-1.66×10-6）A/cm2，說明在Co 基熔覆試樣中，樣品涂層表面位置腐蝕速率最慢，基體位置的腐蝕速率最快，且Co 基試樣涂層腐蝕速率比Fe 基試樣涂層更慢，Co 基試樣界面位置腐蝕速率也略慢于Fe 基試樣涂層。涂層、界面和基體位置的極化電阻大小分別為（4.07×104）Ω、（8.28×103）Ω 和（3.40×103）Ω。由于電化學(xué)腐蝕速率與極化電阻大小成反比，說明Co 基試樣涂層腐蝕速率最慢，熱影響區(qū)位置腐蝕速率略慢于基體位置。綜上所述，隨著腐蝕位置從基體到界面，從界面到涂層表面，合金的耐腐蝕性逐漸增強(qiáng)，腐蝕速率逐漸下降。Co 基試樣涂層位置腐蝕速率比Fe 基試樣涂層位置腐蝕速率慢并且Co 基試樣界面位置腐蝕速率比Fe 基試樣界面位置腐蝕速率慢。

2.2.2 腐蝕表面形貌分析

Fe 基、Co 基熔覆試樣斷面處浸泡腐蝕后的光學(xué)照片如圖4 所示。

圖4 Fe 基、Co 基試樣斷面腐蝕后光學(xué)照片

從圖4（a）~圖4（d）可以看出，F(xiàn)e 基試樣浸泡1天后，界面靠近基體一側(cè)因腐蝕而失去了金屬光澤，靠近涂層一側(cè)局部出現(xiàn)了黃褐色銹層，但整體仍保持較好的金屬光澤，基體部分已經(jīng)嚴(yán)重腐蝕。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，浸泡8 天后，靠近基體一側(cè)顏色變得暗淡，已經(jīng)基本失去金屬光澤，靠近涂層一側(cè)也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的點(diǎn)狀腐蝕并且腐蝕區(qū)域范圍向涂層方向延伸，冶金結(jié)合面靠近涂層一側(cè)出現(xiàn)了更多的點(diǎn)蝕情況。浸泡30 天后，靠近界面的涂層一側(cè)點(diǎn)狀腐蝕更嚴(yán)重。從圖4（e）~圖4（h）可以看出，Co 基試樣在浸泡1 天后，靠近界面的涂層未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象，而靠近界面的基體一側(cè)顏色同樣變得暗淡，失去了金屬光澤。浸泡腐蝕第8 天后，靠近界面的涂層表面才出現(xiàn)少許點(diǎn)狀腐蝕，同時(shí)有少許腐蝕現(xiàn)象從基體延伸至涂層，而基體位置顏色變得更暗淡，幾乎失去金屬光澤。浸泡腐蝕進(jìn)行到第30 天，基體表面完全腐蝕，呈現(xiàn)為深黑色，界面位置腐蝕區(qū)域繼續(xù)向涂層方向擴(kuò)張并且出現(xiàn)了更深、更密集的腐蝕坑，靠近界面的涂層出現(xiàn)均勻分布的面腐蝕而非點(diǎn)狀腐蝕。分析其原因，可能是熔覆過程中基體元素進(jìn)入Fe 基試樣涂層后分布不均勻，F(xiàn)e 元素富集處首先出現(xiàn)了腐蝕，形成了點(diǎn)狀腐蝕。而Co 基試樣涂層在熔覆過程中稀釋率較低，基體元素進(jìn)入基體少且分布均勻，因此Co 基試樣涂層在界面附近呈現(xiàn)均勻的面腐蝕。由此可見，Co 基修復(fù)試樣界面位置靠近涂層一側(cè)比Fe 基修復(fù)試樣具有更好的耐腐蝕性能，2 種試樣基體位置和熱影響區(qū)位置均可在短時(shí)間內(nèi)被鹽水完全腐蝕，涂層遠(yuǎn)離界面位置均難以在鹽水浸泡后出現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。這與電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)得出的結(jié)論相符。

3 結(jié)論

該文利用激光熔覆技術(shù)在ER9 地鐵車輪試樣局部制備了Fe 基和Co 基合金修復(fù)涂層，利用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液浸泡和電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)研究了激光熔覆樣品涂層、界面和基體位置的腐蝕機(jī)理。通過動(dòng)電位極化曲線和阻抗譜測(cè)試分析，局部修復(fù)涂層不同區(qū)域的耐蝕性由強(qiáng)到弱依次為涂層、界面熱影響區(qū)和基體并且Co 基激光熔覆修復(fù)涂層耐蝕性優(yōu)于Fe 基激光熔覆修復(fù)涂層，Co 基試樣界面熱影響區(qū)位置耐蝕性優(yōu)于Fe 基試樣界面熱影響區(qū)位置。通過NaCl 溶液浸泡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于激光熔覆過程中基體對(duì)涂層的有稀釋作用并且基體元素在涂層內(nèi)分布不均勻，因此Fe 基試樣涂層在靠近基體的位置易出現(xiàn)嚴(yán)重的點(diǎn)狀腐蝕。Co 基試樣涂層靠近基體的位置同樣易出現(xiàn)腐蝕，但趨向于局部的面腐蝕。涂層遠(yuǎn)離基體的位置很難被腐蝕，界面及基體則在短時(shí)間內(nèi)就被全面腐蝕。