NiCr BSi涂層在酸性介質中耐腐蝕性能

倪成錦,張 虹,董艷春,閻殿然

(1.鞍山師范學院物理系,遼寧鞍山114005;2.秦皇島職業技術學院,河北秦皇島066100;3.河北工業大學材料學院,天津300130)

1 引 言

隨著等離子噴涂設備和噴涂工藝的不斷發展,高質量的涂層逐漸應用到磨損、腐蝕領域,因此有必要研究噴涂層的磨損、腐蝕過程.鎳基合金具有良好的耐蝕性能,但是價格昂貴,采用等離子噴涂技術制備耐蝕合金包覆鋼是實現高性價比的一種有效途徑[1-3].NiCrBSi以其優良的耐磨、耐蝕等性能,被廣泛應用于表面修復和表面強化工程中.鎳基自熔性合金粉以其優良的耐磨性、耐蝕性在熱噴涂領域中應用最為廣泛,是熱噴涂材料中最早實現系列化和商品化的粉末之一[4].對于鎳基合金涂層的研究,多數在于激光重熔后涂層的組織及性能,耐蝕性研究多數為電化學腐蝕[5-10],還鮮有研究金屬涂層特別是NiCrBSi(簡稱Ni60)涂層在酸性介質中的腐蝕過程和機理的報道.本文利用全浸泡實驗研究NiCrBSi噴涂層在5%HCl,5%H2SO4(質量分數,下同)水溶液中的腐蝕過程和腐蝕機理.

2 實驗設備及方法

采用50 kW的等離子噴涂設備,BT-G3型等離子噴槍,采用槍外送粉方式,噴制涂層.試樣基體為 Q235熱軋鋼板.試樣尺寸為20 mm×25 mm×3 mm,試樣的待噴表面,經過噴砂或用粗砂輪打磨,除去鐵銹,使試樣表面粗化,以提高涂層與基體的結合強度.然后,再在粗化面上依次噴涂粘結底層及表面涂層.涂層厚度為0.4～0.6 mm.腐蝕實驗采用5%H2SO4和5%HCl 2種腐蝕液,為了加快腐蝕速度,本實驗采用沸騰的H2SO4和 HCl溶液.制作腐蝕金相試樣時,先將腐蝕后的試樣用丙酮浸泡12 h,除去涂在腐蝕試樣周邊的抗腐蝕粘接劑(302膠),然后用金相切割機(Q-2型)把腐蝕試樣切開,由于試樣被腐蝕后,涂層中存在腐蝕產物,所以涂層很容易脫落,在切試樣時應從涂層的表面切向試樣的基體.制成金相試樣后,再對腐蝕試樣進行顯微組織觀察.

涂層試樣的金相分析采用PH IL IPS XL30/TM P型掃描電鏡.同時借助掃描電鏡的α射線能譜分析儀,進行組織中各點、線、面的元素分析.物相分析用 PH IL IPS X-Pert M PD型X-射線衍射儀.

3 實驗結果及分析

3.1 Ni60自熔合金涂層的耐腐蝕實驗結果

表1是 Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4和5%HCl中的腐蝕結果.圖1是Ni60涂層分別在沸騰的 5%H2SO4和5%HCl中的腐蝕失重曲線.將腐蝕結果(表1和圖1)與A l2O3陶瓷的腐蝕情況[11]相比,Ni60涂層的耐腐蝕性能明顯高于A l2O3涂層.Ni60涂層在5%H2SO4和5%HCl內的腐蝕失重規律相同,但在5%HCl溶液中的耐腐蝕性能略差于其在 H2SO4溶液中的耐蝕性.

表1 Ni60涂層的腐蝕過程中涂層剝落情況

圖1 Ni60涂層在不同腐蝕液中的腐蝕失重曲線

3.2 Ni60涂層腐蝕試樣的顯微組織與成分分析

圖2是Ni60涂層在沸騰的5%HCl中的腐蝕試樣的顯微組織SEM照片.從圖2(b)中可以看到,經39 h的腐蝕后,涂層中幾乎沒有被腐蝕的痕跡,腐蝕過程主要發生在涂層與基體的界面處,這說明涂層自身的耐蝕性較好.

圖3是Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4中的腐蝕試樣的顯微組織SEM照片.從圖3(b)中可以看出,經45 h腐蝕后,涂層自身被腐蝕的痕跡不明顯,但是,在涂層與基體間的界面處發生腐蝕.由圖3(a)可看出,Ni60涂層腐蝕21 h后,在涂層與基體結合處,就發現有少量的腐蝕產物(其成分見圖4)出現,可見涂層中的通孔是Ni60涂層的腐蝕的主要原因,由于涂層中存在通孔,使得腐蝕液通過通孔與基體接觸,在基體與涂層間發生電化學腐蝕,導致基體首先被腐蝕.孔隙中的腐蝕產物在腐蝕過程中不能被及時地排除,從而出現增重現象.

圖2 Ni60涂層在5%HCl溶液內腐蝕的形貌變化

圖3 Ni60涂層在5%H2 SO4溶液內腐蝕的形貌變化

圖4 不同腐蝕液的Ni60涂層腐蝕產物的能譜分析

隨著腐蝕時間的延長,腐蝕面積的增大,腐蝕部位與通孔間貫通并且形成腐蝕通路,以至于形成腐蝕液的對流,如圖5所示.產生的氣體和其他腐蝕產物可以從其他的通孔處溢出,從而加快了腐蝕速度,失重大幅度提高.當腐蝕產物的形成速度大于排出速度時便形成了腐蝕產物的聚集,導致涂層與基體之間出現裂紋,最終導致涂層剝落.

圖6是Ni60涂層在沸騰的5%HCl和5%H2SO4中腐蝕不同時間的試樣橫斷面的線掃描照片.比較圖6中的圖(a)和(b)可以證明以上的分析是正確的,圖6(b)顯示涂層的Cl元素比圖6(a)涂層中的Cl增多,說明腐蝕確實是通過涂層中的通孔和孔隙來完成的.對比圖6(c)和(d)也同樣發現S元素在Ni60涂層中的變化隨著腐蝕時間的增加也略有增長,在圖6(c)中,S元素幾乎近于一條直線,而在圖6(d)中有所變化,這也證明了實際腐蝕過程同上面的分析是一致的.

孔隙的存在會使涂層的耐腐蝕性能下降,因此為了提高涂層的耐腐蝕性能必須對涂層進行封孔處理.目前研究采用溶膠-凝膠法研制 SiO2-A 12O3溶膠封孔劑[12],用浸漬-提拉法對等離子噴涂涂層進行封孔處理.封孔處理前后的SEM照片及孔隙率測試表明,封孔后涂層的孔隙率得到了明顯的降低,封孔后涂層的耐酸、堿和鹽腐蝕的性能均提高了50%以上,從而增強了涂層對基體的保護作用.

圖6 5%HCl和5%H2 SO4腐蝕Ni60涂層的能譜分析

4 結 論

1)Ni60涂層在沸騰的5%H2SO4和5%HCl溶液中的腐蝕過程為:在腐蝕初期,腐蝕失重相當,但在5%HCl溶液中腐蝕到25 h時,腐蝕速度迅速增加,39 h出現涂層鼓泡.

2)在5%H2SO4溶液內腐蝕33 h后腐蝕速度迅速增加,腐蝕45 h后涂層鼓泡.

3)涂層的腐蝕主要集中在涂層與基體界面上,以腐蝕基體為主,涂層自身基本不被腐蝕,涂層具有良好的耐蝕性,造成腐蝕的原因是涂層中的通孔,即孔隙腐蝕是涂層腐蝕的主要原因.

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