等離子轉(zhuǎn)移弧噴涂鐵基非晶涂層的組織與耐蝕性能

雷少鳴,黃艷斐,劉 明*,趙運(yùn)才,王海斗,3

(1 江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2 陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100072;3 陸軍裝甲兵學(xué)院 機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心,北京 100072)

塊狀非晶合金具有超高的強(qiáng)度和硬度、良好的疏水性、磁性、耐腐蝕和耐磨性,被稱為“最好的金屬涂層材料”,已廣泛應(yīng)用于核廢料儲(chǔ)存、隧道鉆孔、基礎(chǔ)設(shè)施、石油和化學(xué)工業(yè)等[1-6]。然而,由于塊狀非晶合金產(chǎn)品尺寸有限,塑性變形不佳以及非晶相含量低,嚴(yán)重限制其應(yīng)用范圍[7-9]。為解決這一難題,研究人員采用熱噴涂技術(shù)拓展非晶合金材料的應(yīng)用。通常用于制備非晶涂層的熱噴涂技術(shù)包括等離子噴涂、火焰噴涂和電弧噴涂等。此外,與其他非晶態(tài)合金涂層(如Co,Zr,Ni,Cu,Ti,Pd,Co,Ce,Mg,Pt和Au)相比,鐵基非晶合金涂層還具備成本相對(duì)較低和較高的中子吸收能力,因此在工業(yè)應(yīng)用中受到極大的關(guān)注。

由于成本低、沉積效率高,使得電弧噴涂(AS)成為制備鐵基非晶涂層的主要熱噴涂技術(shù),但是其缺點(diǎn)是所獲鐵基非晶涂層氧化嚴(yán)重、孔隙多以及非晶相的比例較少等。據(jù)文獻(xiàn)[10]報(bào)道氧化相是影響涂層非晶含量的一個(gè)重要因素。等離子轉(zhuǎn)移弧絲材噴涂(plasma transfer arc wire spray,PTWS)以金屬絲材(待噴涂材料)和噴槍噴嘴為陽(yáng)極,以金屬鎢為陰極,其中,產(chǎn)生于絲材和鎢之間的轉(zhuǎn)移弧為主要工作弧,具有沉積效率高、涂層氧化少以及能源利用率高等優(yōu)點(diǎn),是一種國(guó)內(nèi)鮮見(jiàn)報(bào)道的新型熱噴涂技術(shù)。相比于電弧噴涂和等離子噴涂,PTWS在保證高沉積率的同時(shí),還能有效解決AS涂層氧化嚴(yán)重以及等離子噴涂能源利用率低等問(wèn)題。

眾所周知,影響熱噴涂涂層質(zhì)量的工藝參數(shù)較多。為了優(yōu)化參數(shù),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析處理通常采用單因素變量法,其結(jié)果是實(shí)驗(yàn)次數(shù)多且所得結(jié)果不利于研究人員總結(jié)分析。響應(yīng)面優(yōu)化法(response surface methodology,RSM) 是一種高效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和統(tǒng)計(jì)分析方法,使用數(shù)學(xué)建模研究各因素之間的交互關(guān)系[11-14]。以供科研人員直接觀察影響因素與響應(yīng)值之間的關(guān)系。鑒于此,本研究采用PTWS在20NiCrMo基體表面制備了鐵基非晶涂層,并借助RSM分析各影響因素對(duì)涂層孔隙率的影響及其交互作用規(guī)律,優(yōu)化調(diào)整制備涂層的工藝參數(shù),對(duì)涂層的綜合性能進(jìn)行檢測(cè)和分析。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 材料和涂層制備

基體材料選用20NiCrMo,尺寸為100 mm×100 mm×5 mm。噴涂材料選用鐵基粉芯絲材(d=2 mm)。其中,外皮采用403不銹鋼,粉末配比如表1所示。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前,用半自動(dòng)化噴砂機(jī)對(duì)基體表面噴砂處理至呈現(xiàn)銀白色金屬光澤。最后采用裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的PTWS設(shè)備制備鐵基非晶涂層,其噴涂原理是,依靠產(chǎn)生于陰極鎢與大電源陽(yáng)極(絲材)之間的轉(zhuǎn)移弧來(lái)瞬間熔化絲材,并同時(shí)依靠產(chǎn)生于陰極鎢與小電源陽(yáng)極(拉法爾噴嘴)之間的等離子體,對(duì)熔融絲材液滴進(jìn)行升溫與加速(圖1)。

表1 粉末成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Powder content(mass fraction/%)

1.2 涂層表征

采用配備有X射線能譜儀(EDS)的ZEISS EVO 10掃描電子顯微鏡和4XC-W型倒置金相顯微鏡觀察所獲涂層表面與截面形貌,并利用Image軟件得到涂層平均孔隙率。涂層孔隙率采用灰度法測(cè)定,具體操作:隨機(jī)采集300XSEM截面圖像五張;導(dǎo)入Image軟件;算出每張圖片孔隙率;求出平均值。采用XRD-6100 X射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)選用銅靶作為X射線源,管電壓 40 kV,管電流 60 mA,掃描速度5 (°)/min,掃描范圍 10°～90°。測(cè)試結(jié)果利用MDI Jade 6.0 以及Origin軟件進(jìn)行擬合處理。使用自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)HV-1000A按照GB/T15445.6—2004測(cè)試硬度,其中載荷為0.986 N、保載時(shí)間為10 s。耐蝕性能測(cè)試選用中性3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液,Tafel極化曲線的掃描速度為1 mV/s,掃描范圍為-100～900 mV。利用IM6ex型電化學(xué)工作站對(duì)不同試樣在3.5%NaCl溶液中的腐蝕性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。所有的電化學(xué)測(cè)量均在室溫下進(jìn)行,其中飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極,石墨電極作為輔助電極。在電化學(xué)測(cè)試之前,將所有的樣品涂層拋光成鏡面效果即可。在室溫(開(kāi)路電位(OCP)穩(wěn)定時(shí))浸泡1 h后,以1 mV·s-1的電位掃描速度記錄動(dòng)電位極化曲線。每項(xiàng)測(cè)試至少進(jìn)行三次。

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)曲面法

2.1.1 響應(yīng)因素的確定

影響PTWS鐵基非晶涂層質(zhì)量的主要因素包括:氬氣流量(QAr)、氫氣流量(QH2)、鐵基絲與噴嘴的間距(d)、工作電流(I)、工作電壓(U)、噴涂距離(D)以及送絲速度(Vwire)。這些參數(shù)的調(diào)控,決定著射流的狀態(tài),即粒子的溫度與速度,而粒子溫度與速度在形成涂層時(shí)決定著涂層的質(zhì)量。其中,送絲速度太快將導(dǎo)致絲材熔化不完全;送絲速度太慢將導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)霧化的粒子數(shù)量少,沉積在涂層內(nèi)部時(shí),粒子相互間搭接不完美[15],故參考電弧噴涂的送絲速度選擇為60 mm/s。工作電壓值的大小主要受QAr,QH2,I以及d等影響,其中d過(guò)小(3～6 mm)會(huì)導(dǎo)致射流呈現(xiàn)白色狀態(tài)(粒子未熔化完全)以及燒損噴嘴,當(dāng)d(22～30 mm)過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致射流發(fā)散嚴(yán)重且伴隨著斷弧現(xiàn)象(圖2),根據(jù)射流的狀態(tài)以及顏色選擇d為12 mm比較合適。其中,射流的狀態(tài)是指射流剛度集中(粒子數(shù)量多,搭接完美)或是發(fā)散(粒子數(shù)量少,搭接不完美),射流的顏色指粒子熔化情況,紅色為熔化充分。最終,確定影響PTWS鐵基非晶涂層的四個(gè)最主要因素分別為QAr,QH2,I以及D。

圖2 絲材與噴嘴不同距離下的射流狀態(tài)(a)5 mm;(b)21 mmFig.2 Jet state at different distances between wire and nozzle(a)5 mm;(b)21 mm

2.1.2 選擇各因素的范圍值

首先,通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)法研究QAr分別為85,115,145,175 L/min,QH2分別為0,2,4,6 L/min以及I分別為240,270,300,330,360,390 A時(shí)射流的顏色以及剛度情況(圖3～5)。當(dāng)氬氣流量增大時(shí),射流的剛度呈現(xiàn)出發(fā)散-集中的狀態(tài),射流的顏色則顯示泛白—紅—泛白的過(guò)程,這主要是由于過(guò)小的氬氣流量導(dǎo)致射流的整體溫度較低,進(jìn)而導(dǎo)致粒子熔化與霧化都不完全,得不到充分霧化的大體積粒子,只能是外表處于熔化狀態(tài),而粒子核心處于未完全熔化狀態(tài),故射流顏色整體顯現(xiàn)出白色;由于過(guò)大的氬氣流量對(duì)射流具有一定的冷卻作用,當(dāng)功率一定時(shí),只有部分氬氣會(huì)被成功電離成等離子體。

圖3 不同氬氣流量下的射流狀態(tài)(a)85 L/min;(b)115 L/min;(c)145 L/min;(d)175 L/minFig.3 Jet state under different argon flow rates(a)85 L/min;(b)115 L/min;(c)145 L/min;(d)175 L/min

當(dāng)氫氣流量為0 L/min時(shí),射流不僅發(fā)散還泛白,粒子數(shù)量少,隨著氫氣量的加大,射流逐漸變紅且密集(圖4),這是因?yàn)闅錃?雙原子氣體)被電離時(shí)能夠有效地提升等離子的熱焓值,所以熔滴在高溫等離子體中能夠得到充分的霧化與升溫。需要特別注意的是,圖4(b)整個(gè)射流偏下,這主要是絲材并沒(méi)有位于噴嘴的正前方中心處而是位于噴嘴的斜向下處所致。

圖4 不同氫氣流量下的射流狀態(tài) (a)0 L/min;(b)2 L/min;(c)4 L/min;(d)6 L/minFig.4 Jet state under different hydrogen flow (a)0 L/min;(b)2 L/min;(c)4 L/min;(d)6 L/min

隨著電流的加大,整個(gè)射流的剛度以及顏色都在變化(圖5)。這主要是因?yàn)楫?dāng)電流加大時(shí),絲材在接觸轉(zhuǎn)移弧時(shí)的瞬間熔化程度加劇,在此基礎(chǔ)上,電流的加大也有利于等離子體溫度的提升,最終在兩者共同的作用下,粒子得到充分霧化與熔化。但是當(dāng)工作電流達(dá)到330 A時(shí),射流再次呈現(xiàn)泛白且發(fā)散,這主要是隨著電流的加大,總功率也加大,導(dǎo)致鐵基絲端頭的熔化過(guò)于提前,即絲材熔滴沒(méi)能從噴槍噴嘴的正中心經(jīng)過(guò),由此導(dǎo)致絲材熔滴霧化不充分。圖6為在不同工作電流下收集的射流粒子形貌。顯然,在相同放大倍數(shù)下,與工作電流300 A時(shí)相比,工作電流390 A時(shí)存在更多大體積粒子,這表明工作電流390 A時(shí)熔融絲材液滴霧化不充分。

考慮到當(dāng)射流的顏色呈現(xiàn)泛白以及射流的狀態(tài)發(fā)散時(shí)將會(huì)導(dǎo)致涂層的質(zhì)量較差,參照電弧噴涂D的取值范圍,選擇PTWS的D的范圍為100～200 mm,最終響應(yīng)因素的取值如表2所示。

表2 響應(yīng)曲面法各參數(shù)的范圍Table 2 Range of parameters of response surface method

2.1.3 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)中心組合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(Box-Behnken-Design),涂層制備參數(shù)及其孔隙率結(jié)果如表3所示?？梢钥吹?鐵基非晶涂層孔隙率的變化范圍較大,為2.14%～6.34%,這說(shuō)明工藝參數(shù)之間的合理優(yōu)化對(duì)涂層致密性有重大影響。

表3 響應(yīng)曲面實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Response surface test results

2.1.4 擬合模型分析

對(duì)表3中涂層孔隙率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行模型擬合,其中可選擇的四種擬合模型對(duì)比如表4所示。在線性模型(Linear)、雙因素模型(2FI)、二次方程模型(Quadratic)和三次方程模型(Cubic)中,可以看到二次方模型的p值最小(<0.0001),表明該模型最顯著,失擬度f(wàn)值為0.0733,說(shuō)明模型失擬不顯著;因此,選擇二次方模型所獲結(jié)果[16]。

表4 四種模型的p值與f值Table 4 p and f values of four models

根據(jù)二次方模型得出I(A),QAr(B),QH2(C)和D(D)四個(gè)響應(yīng)因素與Porosity(Y)的關(guān)系方程為:

Y=2.35-0.3A-0.19B+0.15C+0.046D+
0.23AB+0.64AC+0.18AD+0.23BC+0.81BD+
0.12CD+1.72A2+1.42B2+C2+1.4D2

(1)

對(duì)模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表5所示,殘差分析如圖7所示。從方程系數(shù)可以得出,四個(gè)影響因素單獨(dú)對(duì)Y的影響大小排序是A>B>C>D,即A對(duì)Y的影響最大,D對(duì)Y的影響最小;四個(gè)影響因素對(duì)Y的交互影響大小排序是BD>AC>AB=BC>AD>CD,其中BD對(duì)Y的交互影響最大,CD的影響最小。涂層孔隙金相圖片(圖8)則很好地驗(yàn)證了影響因素的排序,當(dāng)A不同時(shí),涂層致密度如No.2和No.27所示,顯然,在工作電流為270 A時(shí)涂層出現(xiàn)大面積孔隙,工作電流為300 A時(shí)涂層非常致密;當(dāng)A相同時(shí),B不同時(shí),No.24比No.4表現(xiàn)出更加致密的截面形貌;當(dāng)A和B相同時(shí),C不同時(shí),涂層孔隙率則如No.10和No.16所示,其中,No.10孔隙率為2.52%,No.16孔隙為5.28%。在響應(yīng)曲面法中,p值和f值是方差分析里面對(duì)模型和模型的系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)得到的結(jié)果,表明模型的顯著性。當(dāng)擬合方程系數(shù)的p值小于0.0001時(shí)代表該因子的影響效果非常顯著,當(dāng)p值小于0.05,大于0.0001時(shí)表明該因子的影響效果一般顯著,當(dāng)p值大于0.5時(shí)表明該因子的影響效果較小,即p值越小,說(shuō)明該因子對(duì)模型的影響更顯著[17-18]。從表5可以看出,鐵基非晶涂層孔隙率二次方程模型的f值為34.96,p<0.0001,說(shuō)明該模型下的孔隙率與QAr,QH2,I和D的回歸方程關(guān)系顯著,同時(shí)失擬度p值為0.0733>0.05,f值為4.75,影響關(guān)系不明顯,說(shuō)明二次方模型擬合方程與實(shí)際值的偏差較小,回歸方程是可靠的。在各因素的交互影響關(guān)系中,模型中BD的p值小于0.0001,說(shuō)明BD對(duì)Y的影響非常明顯,模型中AC的p值為0.0006<0.05,說(shuō)明影響關(guān)系一般,模型中AB,AD,BC,CD的p值均大于0.05,說(shuō)明AB,AD,BC,CD對(duì)孔隙率的影響輕微;模型中A2,B2,C2,D2的p值均小于0.0001,說(shuō)明A2,B2,C2,D2對(duì)Y的影響非常明顯;模型中A的p值為0.0025<0.05以及B的p值為0.0415<0.05,說(shuō)明A和B對(duì)孔隙率的影響一般;模型中C的p值為0.085>0.05,D的p值為0.5903>0.05,說(shuō)明C和D對(duì)孔隙率的影響輕微,這與二次方程模型擬合方程中的系數(shù)分析結(jié)論一致。從圖7中可以看出,孔隙率的殘差分布均呈線性特征,數(shù)據(jù)分布基本沿同一直線,未出現(xiàn)異常值,說(shuō)明回歸模型比較合適[19]。

圖7 鐵基非晶涂層孔隙率的殘差正態(tài)概率圖Fig.7 Residual normal probability plot of porosity of Fe-based amorphous coatings

圖8 不同工藝參數(shù)下涂層截面的金相圖(a)No.2;(b)No.24;(c)No.10;(d)No.19;(e)No.4;(f)No.29;(g)No.20;(h)No.16;(i)No.27Fig.8 Metallographic images of coating sections under different process parameters(a)No.2;(b)No.24;(c)No.10;(d)No.19;(e)No.4;(f)No.29;(g)No.20;(h)No.16;(i)No.27

表5 鐵基非晶涂層孔隙率二次方程模型方差分析Table 5 Variance analysis of quadratic model of porosity of Fe-based amorphous coating

2.1.5 響應(yīng)曲面分析

根據(jù)前面的二次方模型擬合方程和方差分析,得到A對(duì)Y的影響最大;在交互影響項(xiàng)中BD對(duì)Y的影響最大。因此,主要研究當(dāng)A分別為 270,300 A和330 A時(shí)BD對(duì)Y的交互影響,其響應(yīng)曲面如圖9所示。

圖9 不同工作電流下氬氣流量和噴涂距離對(duì)孔隙率的響應(yīng)曲面 (a)270 A;(b)300 A;(c)330 A;(1)3D;(2)2DFig.9 Response surface of argon flow rate and spraying distance on porosity under different working currents(a)270 A;(b)300 A;(c)330 A;(1)3D;(2)2D

從圖9可以看到,當(dāng)不改變BD對(duì)孔隙率的影響,隨著A增大,孔隙率整體呈先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)A過(guò)小時(shí),絲材熔化不完全,即粒子在射流中的熔化不充分,導(dǎo)致半熔粒子沉積在涂層中變形較弱,接著在其周?chē)a(chǎn)生孔隙。隨著A增加,即增加絲材熔化的總功率時(shí),使更多的粒子完全熔化,但是過(guò)大的功率則會(huì)導(dǎo)致粒子出現(xiàn)過(guò)熔狀況,進(jìn)而導(dǎo)致涂層質(zhì)量變差。當(dāng)確定A不變時(shí),BD對(duì)Y的交互影響是隨著B(niǎo)增大D減小時(shí),Y呈下降趨勢(shì);隨著B(niǎo)減小D增大時(shí),Y呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)楫?dāng)增大B,會(huì)導(dǎo)致更多的氬氣被非轉(zhuǎn)移弧電離,使得等離子射流速度加快,對(duì)熔融絲材的霧化效果更好,對(duì)粒子的熔化狀態(tài)也更好。當(dāng)增大D,即延長(zhǎng)粒子在射流中的加熱時(shí)間,使得更多的粒子完全熔化,涂層質(zhì)量較好。不過(guò),當(dāng)D過(guò)大時(shí),對(duì)于易氧化的元素,由于增加了與氧氣接觸的機(jī)會(huì),導(dǎo)致其氧化嚴(yán)重,涂層質(zhì)量較差。但是,當(dāng)同時(shí)增大B和D,會(huì)出現(xiàn)未電離的氬氣對(duì)等離子體有冷卻作用,以及粒子的飛行速度越來(lái)越低和射流發(fā)散嚴(yán)重等現(xiàn)象,最終導(dǎo)致涂層內(nèi)部出現(xiàn)大量未熔顆粒以及孔隙。例如氬氣145 L/min,電流300 A,氫氣4 L/min,噴涂距離200 mm時(shí)涂層孔隙率為5.78%。反之,當(dāng)同時(shí)減少B和D時(shí)會(huì)出現(xiàn)粒子飛行速度降低,以及粒子熔化不完全等現(xiàn)象,例如氬氣85 L/min,電流300 A,氫氣4 L/min,噴涂距離100 mm時(shí)涂層孔隙率為6.14%。綜上,基于響應(yīng)曲面法得到PTWS制備鐵基非晶涂層的最佳噴涂工藝參數(shù)是QAr=115 L/min,QH2=4 L/min,I=300 A,D=150 mm,d=12 mm,Vwire=60 mm/s。

2.2 鐵基非晶涂層微觀形貌及相組成

采用上述最優(yōu)工藝參數(shù)制備的鐵基非晶涂層表面與截面形貌如圖10所示。顯然,涂層表面呈現(xiàn)出粒子堆疊鋪展的組織,且存在大量不規(guī)則凸起顆粒附著于涂層表面。由涂層截面可以發(fā)現(xiàn),涂層整體致密,無(wú)貫穿孔,除了孔隙周?chē)谎趸?涂層內(nèi)部幾乎無(wú)氧化痕跡,圖11的鐵基非晶涂層的X射線衍射圖譜中無(wú)氧化物相,也證實(shí)了該現(xiàn)象;此外,涂層與基體之間呈現(xiàn)出機(jī)械結(jié)合方式,同時(shí)也存在一些孔隙,這可能是由基體的粗糙度以及涂層與基體之間的熱膨脹系數(shù)之差等引起的。通過(guò)灰度法測(cè)得涂層孔隙率為2.14%,涂層中較大的氣孔形成可能是由非晶態(tài)合金固有的高黏度所致。高黏度的特性導(dǎo)致部分霧化液滴較大(圖6),而較大的未熔化液滴在沉積時(shí)阻礙了完全熔化液滴的扁平化和飛濺行為,從而導(dǎo)致粒子的鋪展能力較差。除了存在大體積孔隙外,還存在少量微觀裂紋,主要原因是熔滴在沉積鋪展后凝固時(shí)體積快速收縮產(chǎn)生殘余應(yīng)力[20]。

圖10 鐵基非晶涂層的SEM圖 (a)表面;(b)截面Fig.10 SEM images of Fe-based amorphous coating (a)surface;(b)cross-section

圖11 鐵基非晶涂層的X射線衍射圖譜Fig.11 X-ray diffraction pattern of Fe-based amorphous coating

圖11為鐵基非晶涂層X(jué)RD圖譜。涂層在2θ=43.67°時(shí)存在較寬的衍射峰,同時(shí)伴有尖銳的晶相峰,經(jīng)標(biāo)定是Al0.24B0.01Ni0.75相,表明該涂層是由晶相與非晶相共同組成。推斷PTWS鐵基非晶涂層非晶相形成原因:多組分FeNiCrBSiAlMoC粉芯絲材具有較強(qiáng)的非晶形成能力;等離子體可以減少熔融態(tài)液滴的氧化程度,從而有利于形成非晶相含量高的涂層。

2.3 鐵基非晶涂層硬度分析

圖12為鐵基非晶涂層不同位置處的硬度值?？梢园l(fā)現(xiàn)涂層的硬度最高可達(dá)1416HV0.1,最低可至642HV0.1,平均硬度為960 HV0.1且硬度值起伏較大。除了涂層之間的孔隙以及極少量氧化物能造成涂層硬度變化較大,另一個(gè)原因則是涂層中存在一定比例的非晶相和晶相,也就是金屬外皮與合金粉末在某種程度上并沒(méi)有完全熔合[21]。圖10(b)中涂層截面中的白色區(qū)域(經(jīng)標(biāo)定為Al和Ni等元素)證實(shí)該現(xiàn)象。根據(jù)高硬度的非晶態(tài)涂層主要是由于其非晶態(tài)含量較高的觀點(diǎn)[22],圖13解釋了鐵基非晶涂層硬度值不穩(wěn)定的可能原因。事實(shí)上,在有限的反應(yīng)時(shí)間內(nèi),鐵基粉芯絲材熔融液滴很難完全合金化,一些不完全合金化液滴在快速冷卻沉積的同時(shí)形成晶相,因其偏離了理論上的玻璃形成成分,而完全合金化液滴在這一過(guò)程中有可能形成非晶相。

圖12 鐵基非晶涂層不同位置處的硬度值Fig.12 Hardness values at different positions of Fe-based amorphous coating

圖13 PTWS過(guò)程中非晶態(tài)涂層中形成的晶相示意圖Fig.13 Schematic diagram of crystal phase formed in the amorphous coating during PTWS process

2.4 鐵基非晶涂層耐蝕性分析

將基體與鐵基非晶涂層放置于室溫下的3.5%NaCl溶液中,用動(dòng)電位極化來(lái)完成腐蝕實(shí)驗(yàn),極化曲線如圖14所示,涂層表現(xiàn)出極寬的鈍化區(qū)和較高的腐蝕電位值,這表明涂層相比于基體更不易發(fā)生腐蝕。表6顯示了涂層與基體的腐蝕電位值以及腐蝕電流值,其中腐蝕電位的順序?yàn)榛w(-0.7705 V)<涂層(-0.4841 V),腐蝕電流的順序?yàn)榛w(4.299×10-6A·cm-2)<涂層(3.716×10-5A·cm-2),對(duì)于基體的腐蝕電流比涂層的腐蝕電流低一個(gè)數(shù)量級(jí),可能的原因是,經(jīng)過(guò)鑄造的基體會(huì)有較少的孔隙,而噴涂涂層則會(huì)存在較多的孔隙;孔隙的多少在電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)中起到重要的作用,因?yàn)樗茉谕繉颖砻娲龠M(jìn)活躍動(dòng)電力層,而抑制鈍化膜的形成[23]。鐵基非晶表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)和化學(xué)均一的單相性質(zhì),并且沒(méi)有包括晶界在內(nèi)的結(jié)晶缺陷,它提供了鈍化膜的形成,因此也有助于它們的高耐腐蝕性[24]。另外,在腐蝕電解液中,鐵優(yōu)先溶解,鉻元素迅速在鐵基非晶涂層上形成鉻的氧化物鈍化膜,阻止腐蝕進(jìn)行。鉬則可以進(jìn)一步提高鐵基非晶涂層的耐蝕性和鈍化能力,因?yàn)樗梢苑乐广t在鈍化過(guò)程中的溶解[25]。

圖14 鐵基非晶涂層與20NiCrMo基體的Tafel極化曲線Fig.14 Tafel polarization curves of Fe-based amorphous coating and 20NiCrMo substrate

表6 鐵基非晶涂層和20NiCrMo基體的腐蝕參數(shù)Table 6 Corrosion parameters of Fe-based amorphous coating and 20NiCrMo substrate

3 結(jié)論

(1)通過(guò)二次方程模型擬合結(jié)果得出,影響因素對(duì)鐵基非晶涂層孔隙率的影響大小為:工作電流>氬氣流量>氫氣流量>噴涂距離;交互影響因素對(duì)鐵基非晶涂層孔隙率的影響大小為:氬氣流量-噴涂距離>工作電流-氫氣流量>工作電流-氬氣流量=氬氣流量-氫氣流量>工作電流-噴涂距離>氫氣流量-噴涂距離。

(2)通過(guò)響應(yīng)曲面法優(yōu)化出PTWS制備鐵基非晶涂層的最佳工藝參數(shù)為QAr=115 L/min,QH2=4 L/min,I=300 A,D=150 mm,d=12 mm,Vwire=60 mm/s。

(3)PTWS制備的鐵基非晶涂層孔隙率為2.14%,涂層在2θ=43.67°時(shí)出現(xiàn)非晶峰,涂層的平均硬度為960HV0.1,涂層的腐蝕電位為-0.4841 V,腐蝕電流為3.716×10-5A·cm-2。