冷噴涂鎳涂層在不銹鋼焊點腐蝕防護上的應用研究

劉潤芳，王奕霖，孫彩云，丁星星，叢大龍

（1.北京新風航天裝備有限公司，北京 100074；2.北京計算機技術及應用研究所，北京 100039；3.西南技術工程研究所，重慶 40039）

不銹鋼具有耐腐蝕、強度高、可焊接性優異以及易加工和良好光澤性等特點，是一種重要的結構材料，廣泛應用于汽車、電子、航空航天、武器裝備等領域[1-2]。電阻點焊是焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在正負電極之間，利用地阻熱熔化焊件金屬，形成焊點，從而實現連接的焊接方法，是不銹鋼薄板構件連接的重要方法[3-4]。

我國某島礁裝備的發動機艙構件采用不銹鋼薄板材料制造，并通過電阻點焊工藝連接成形。該構件位于半封閉環境中，不直接暴露在海洋大氣中，但受艙體密封性和尾氣的影響，形成酸性鹽霧氣氛條件，導致不銹鋼焊點區域發生腐蝕[5-6]。因此，文中針對不銹鋼薄板點焊構件在酸性鹽霧條件下的腐蝕行為開展研究，并采用冷噴涂純鎳涂層對焊點進行防護，為提高不銹鋼薄板點焊構件在島礁裝備上的使用壽命提供技術支撐。

1 實驗

1.1 材料和設備

采用厚度為0.2 mm 的壓花不銹鋼薄板為基體材料，裁剪成40 mm × 40 mm 的正方形試板。采用粉末材料為純鎳粉，顯微形貌如圖1 所示。電阻點焊設備為自主研發的專用薄板電阻點焊機。冷噴涂設備為低壓冷噴涂系統，噴槍通過六軸機械手夾持，保證涂層的均勻性。

圖1 冷噴涂鎳粉微觀形貌Fig.1 SEM morphology of cold sprayed nickel powder

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品制備

將不銹鋼焊接試板上下重疊，并用工裝壓緊，保證焊接區試板之間無間隙。采用小電流、短時間點焊工藝，防止焊接飛濺或焊點燒穿，每個焊接薄板通過9 個焊點進行連接。采用冷噴涂工藝在點焊后的不銹鋼薄板表面制備純鎳涂層，噴涂工藝參數：壓力為1.2 MPa，溫度為400 ℃，距離為12 mm，噴槍移動速度為10 mm/s，相鄰道次搭接量為3 mm，涂層厚度為20～30 μm，涂層應完全覆蓋焊點區域。

1.2.2 實驗過程

裁剪焊接后的不銹鋼薄板焊點區域，并進行鑲嵌，制備成焊點橫截面金相試樣。經研磨和拋光后，采用Axio Observer.3m 型金相顯微鏡分析焊點區域橫截面形貌。根據某裝備的實際使用工況，采用酸性鹽霧腐蝕試驗考核無涂層和有涂層不銹鋼焊點的腐蝕性能，具體實驗條件為：溫度t=（35±2）℃；相對濕度大于85%；參照GJB 150.11A，試驗溶液采用硫酸和硝酸混合5%NaCl 溶液（每4 L 溶液中添加11.9 mg 95%～98%的硫酸和8.8 mg 68%～71%的硝酸），pH 為3.5±0.5，溶液沉降率1.0～3.0 mL/（80 cm2·h），單次循環周期為噴霧2 h+貯存7 d，循環次數為4 次。

2 結果與討論

2.1 金相分析

與其他金屬及合金相比，不銹鋼在各種環境中均具有良好的耐蝕性，主要是由于其表面生成的鈍化膜。不銹鋼的主要腐蝕包括點蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕等形式[7-8]。

1）點蝕。當存在含有氯離子的腐蝕性介質時，氯離子會優先吸附在不銹鋼的缺陷部位，如夾雜物、貧鉻區、晶界等，侵蝕其鈍化膜，從而形成微電池，產生點蝕。

2）晶間腐蝕。當加熱溫度和加熱速度在不銹鋼的敏化溫度區域時，在其內部會形成貧鉻區（晶界處的鉻含量比其他地方要低），使電極電位下降。當不銹鋼與含氯離子等的腐蝕介質接觸時，會引起微電池腐蝕。隨著腐蝕的深入，腐蝕會由晶粒表面逐漸擴展到內部，從而形成晶間腐蝕。

3）應力腐蝕。在應力和腐蝕介質的聯合作用下，材料表面會由開始的裂紋逐漸發展為裂縫，直至斷裂。它是一種嚴重的局部腐蝕破壞。

不銹鋼薄板點焊后的橫截面形貌如圖2a 所示，點焊過程中電流由表面向內部傳導，在兩層不銹鋼薄板間形成熔池，將焊接件連接在一起。可以看出，不銹鋼表面致密的鈍化膜在點焊過程中遭到破壞，使不銹鋼失去鈍化膜的保護，暴露出新鮮的活性基體，與腐蝕介質直接接觸。鹽霧中含有的氯離子穿透金屬表面，與內部金屬發生電化學反應，引起腐蝕，所以在缺陷處容易產生點蝕，導致腐蝕速率加快，這是焊點區域耐腐蝕性能差的主要原因[9-10]。

鎳、鉻等金屬涂層以及有機涂層是海洋大氣環境金屬結構的有效防護措施[11-12]。冷噴涂是通過高速固態顆粒流依次與固態基體碰撞后，經過適當的變形，牢固結合在基體表面而依次沉積形成沉積層的方法。相比于熱噴涂，冷噴涂僅采用適當加熱的高壓氣流（空氣、氮氣、氦氣）來加速噴涂材料顆粒，使其達到沉積所需的速度，顆粒在碰撞基體前處于低溫固態。因此，冷噴涂涂層具有致密度高、無氧化、結合強度高等優點，適合于制備鋁、鋅、鎳、銅、鉭等金屬涂層[13-15]。采用冷噴涂工藝在焊點表面制備的純鎳涂層橫截面形貌如圖2b 所示。可以看出，涂層將焊點的裸露區完全覆蓋，形成致密的屏蔽層，有效隔絕腐蝕介質通過焊點向基體內部擴散。從橫截面金相照片可以看出，鎳涂層十分致密。參照 ISO-TR 26946—2011[16]，采用金相法檢測了鎳涂層的孔隙率，結果為0.3%～0.5%，存在的少量細小孔隙零星分散在涂層內部，未形成貫穿基體以及連續的孔隙，因此涂層能夠有效隔絕腐蝕介質。

圖2 不銹鋼焊點橫截面形貌Fig.2 Cross-sectional morphology of stainless steel solder joints: a) original solder joints;b) nickel-coated solder joints

2.2 酸性鹽霧腐蝕試驗

無涂層焊點的宏觀腐蝕形貌如圖3a 所示，從中可以看出，焊接件經過酸性鹽霧噴霧2 h+貯存7 d，循環次數4 次后，焊點區出現了腐蝕銹跡。這說明在較低pH 值試驗介質和試樣表面液膜濕潤狀態頻繁交替作用下，焊點區發生了較為嚴重的腐蝕。根據點缺陷模型[17]，Cl-在腐蝕產物膜表面吸附，隨后與鈍化膜中的氧離子空位反應，生成可溶性氯化物，從而導致從產物膜/溶液界面流向金屬/產物膜界面方向的陽離子空位通量增加。當陽離子空位通量大于其在金屬/產物膜界面的湮滅速率時，會造成沉積。當超過臨界值時，腐蝕產物膜向金屬內部生長過程受到阻礙，但是由于腐蝕產物膜溶解過程仍在繼續，從而導致產物膜局部減薄，最終出現產物膜破裂，出現點蝕。如前文所述，這主要是焊點區鈍化膜發生破壞，再生鈍化膜不致密導致的。表面制備有純鎳涂層的焊點宏觀腐蝕形貌如圖3b 所示，從中可以看出，焊接件表面沒有出現腐蝕銹跡，表面涂層完整，有少量白色腐蝕產物存在，說明不銹鋼焊點區域未發生腐蝕。研究表明，鎳及其合金在海水和低濃度氫氟酸、硫酸及堿性液體中能保持高強度和良好的耐腐蝕性能，廣泛應用于耐腐蝕性的工業領域[18-20]。從圖4a 中可以看出，冷噴涂純鎳涂層是由大量粉體顆粒堆積而成的，相鄰顆粒間結合緊密。從圖4b 中可以看出，酸性鹽霧腐蝕試驗后，涂層表面變得平整。這主要是因為冷噴涂涂層的表面存在大量的附著粉體，結合力較差[21]。在腐蝕過程中，腐蝕介質進入相鄰顆粒縫隙之間，導致表層部分粉體顆粒間發生腐蝕形成剝離，次表層的顆粒由于結合緊密導致腐蝕介質無法浸入，保持了較為完整的形貌，說明涂層仍能為基體提供有效防護。

圖3 不銹鋼焊點腐蝕試驗后表面形貌Fig.3 Surface morphology of stainless steel solder joints after corrosion test: a) original solder joints;b) nickel-coated solder joints

圖4 不銹鋼焊點表面純鎳涂層腐蝕前后表面微觀形貌Fig.4 Surface micromorphology of the pure nickel coating on the surface of the stainless steel solder joint:(a) before and (b) after corrosion

2.3 應用驗證

針對某裝備的艙內不銹鋼薄板結構件，設計并制備了平板模擬件，尺寸為400 mm×300 mm×10 mm。該結構件主要用于艙內高溫設備的隔熱防護，由不銹鋼薄板金屬外保護層包覆隔熱復合材料構成。在制造過程中，不銹鋼金屬外保護層采用軋輥軋花工藝，外保護層邊緣采用點焊工藝連接成形，具體結構如圖5所示。按照文中所用的酸性鹽霧腐蝕試驗條件，進行了4 個周期的腐蝕試驗。試驗后的焊接結構件表面形貌如圖6 所示，可以看出，無涂層的焊接結構件焊點區域腐蝕嚴重，有涂層的焊接結構件焊點區域無明顯腐蝕，滿足的某裝備對該隔熱結構件腐蝕性能的要求。

圖5 某裝備艙內不銹鋼薄板結構平板模擬件Fig.5 Flat-plate simulation of stainless steel sheet structure in an equipment cabin

圖6 鹽霧試驗后焊接結構件宏觀表面形貌Fig.6 Surface morphology of welded structural parts after salt spray test

3 結論

不銹鋼表面鈍化膜在點焊過程中發生破壞，基體裸露在腐蝕介質中，導致焊點區域發生腐蝕。在表面制備高致密鎳涂層后，通過高耐蝕涂層對焊點進行屏蔽防護，有效提高了其耐腐蝕性能，滿足了某裝備在酸性鹽霧條件下噴霧2 h+貯存7 d，循環次數4 次的使用要求。