鋁合金表面等離子噴涂鎳基涂層的耐磨損腐蝕行為

趙 旭,王曉軍,崔 熙,石喜軍

(中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第六采氣廠,西安 710003)

鋁及其合金具有密度低、強度高、導電性和導熱性好、易擠壓加工、切削加工性好等優點。美國、日本等國家早已將鋁合金作為船艦結構的主要材料。在海洋石油鉆探領域，高強度鋁合金是替代傳統鋼材的重要材料。俄羅斯已將高強度鋁合金7075鉆桿用于超深井的開發中。我國的鋁合金鉆桿開發起步晚，目前高強度鉆桿仍需進口。海洋鉆探不可避免會發生磨損，而鋁合金7075的耐磨性和耐蝕性較差。表面處理可以改善鋁合金的缺點，延長其使用壽命[1-5]。其中，等離子噴涂技術可以使基體材料獲得具有良好耐磨性和耐蝕性的涂層，在工業上得到了廣泛的應用[6-8]。

現有文獻大多在鋼基體上熱噴涂鎳基合金涂層[9-11]，而關于鋁合金基體上硬質合金涂層的報道較少。YAO等[12]報道了Ni60合金涂層的組織、硬度、摩擦學性能和耐蝕能。LUO等[13-14]報道了Ni60-WC涂層的顯微硬度和銷盤磨損性能。ZHOU等[15-16]研究了WC增強NiCrBSi合金涂層的組織和耐磨性。然而，關于鎳基合金涂層在不同靜水壓力條件下腐蝕行為的文獻研究卻很少。

本工作采用等離子噴涂方法在7075鋁合金上制備了Ni 60+35% WC涂層，分析了材料的磨損機理和不同靜水壓力下的耐蝕性，以期為高強度鋁合金在工業上的廣泛應用提供理論基礎。

1 試驗

1.1 試樣

采用7075鋁合金作為基板材料，制備涂層的粉末為市售Ni 60和Ni 60+35% WC粉。鎳基合金是自溶合金，呈規則的球形形貌，如圖1所示。

圖1 Ni 60+35% WC粉末的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of Ni 60+35% WC powder

使用9 M等離子噴涂技術在商用7075鋁合金上進行沉積。沉積前需要將切割好的7075鋁合金基體試樣浸泡于無水乙醇中，采用超聲波清洗除油，然后用無水乙醇沖洗表面。對基體試樣表面噴砂，進行粗糙化處理，以提高工作層與鋁合金之間的結合強度。在噴涂前，將待噴涂粉末置于80 ℃的烘箱中烘烤2 h。烘烤后的粉末經送粉器送入噴槍噴口處，由噴槍噴出的高速等離子氣流進行加熱、加速后，最終以熔融態或者半熔融態沉積到試樣表面，形成涂層。噴涂參數詳見表1。

表1 等離子噴涂參數Tab. 1 Parameters of plasma spraying

1.2 涂層性能測試

1.2.1 不同靜水壓力下的電化學試驗

向高壓釜中充入氮氣可以增加靜水壓力，9 MPa壓力近似等于900 m深海水的靜水壓力，許多研究者都通過這種方法模擬深海環境[17-18]。采用與電化學工作站(CHI660E，上海辰華儀器儀表有限公司)連接的高壓釜，對不同靜水壓下涂層試樣的電化學性能進行評價。試驗采用三電極體系，Ag/AgCl電極為參比電極，Pt電極為輔助電極，非工作面采用環氧樹脂密封且工作面積為1 cm2的涂層試樣為工作電極。涂層試樣在3.5 %(質量分數，下同) NaCl溶液中浸泡30 min待開路電位穩定后進行極化曲線測試，掃描速率為1 mV/s。

由圖3可見：Ni 60+35% WC原料粉末中除主要的WC外，還含有FeNi和Cr23C6、Cr2C3、Cr2Ni2Si相。Ni 60+35% WC涂層主要有WC、FeNi、Cr23C6、Cr2C3。XRD結果表明，Ni60+35%WC粉末在熱噴涂過程中沒有新形成相。

圖3 Ni 60 + 35% WC原料粉末和涂層的XRD圖譜Fig. 3 XRD patterns of Ni 60 + 35% WC raw material powder and coating

1.2.2 3.5% NaCl溶液中的磨損試驗

試驗設備為UMT-5銷盤摩擦試驗機，涂層試樣和鋁合金基體試樣的尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，基體試樣用砂紙(200～2 000)逐級打磨。將試樣固定在盛有3.5%NaCl溶液的摩擦試驗臺上。在摩擦試驗機上裝好摩擦副(直徑為5 mm)。摩擦條件如下：加載20 N，轉速200 r/min，磨損時間15 min，通過電腦控制整個摩擦過程，每組試驗設三組平行試樣。

1.2.3 力學性能測試

硬度測試采用數字顯微硬度計(HXD-1000 M)，負載200 g，持續10 s。

涂層的結合強度按ASTM C633-01標準進行，使用E-7結構膠(上海華誼樹脂有限公司)對試樣進行黏合后，在萬能力學性能試驗機(CTM8000，協強儀器制造(上海)有限公司)上進行結合強度測試，測試8組平行試樣，取平均值。

1.3 涂層形貌表征

采用BRUKE-D8 X射線衍射儀(布魯克，美國)對粉體和涂層進行結構分析，靶材為Cu-靶。工作參數為40 kV、200 mA，掃描速率為5°/min，2θ為30°～100°。利用掃描電子顯微鏡(SEM，蔡司Gemini，德國)和能譜儀(EDS，牛津儀器，美國)分析涂層試樣的形貌和化學成分。采用基于ASTM B276的圖像分析方法測定涂層的孔隙率。分析10張截面圖像，在消除孔隙度最大值和最小值后，取8個剩余孔隙度值的平均值。

2 結果與討論

2.1 涂層的顯微組織

由圖2(a)可見：孔隙主要分布在涂層表層，這種現象在之前的研究[19]中也有報道。Ni60+35%WC涂層的平均孔隙率為(1.3±0.3)%。由圖2(b)可見：涂層中的主要元素為W、Ni、Cr、Si，涂層與鋁合金不存在明顯的元素擴散，屬于典型的機械結合。相比于文獻報道的采用AC-HVAF技術制備的Ni60/WC涂層(孔隙率為2.5%)，Ni 60+35% WC涂層的孔隙率較小[20]。

(a) 涂層/鋁合金界面處的形貌

2.2 涂層的顯微硬度

由圖4可見：Ni 60+35% WC涂層的顯微硬度為871±137 HV0.2，7075鋁合金的顯微硬度為(185±6 HV0.2)，涂層的硬度遠高于鋁合金。有研究表明，Ni 60+60% WC涂層的顯微硬度值僅為742 HV0.3[15]，Ni 60+35% WC涂層的硬度更高是由于二者的工藝不同，激光熔覆工藝輸入能量高，對WC相的性能有損耗，因此硬度偏低；而等離子噴涂對WC相的損耗少，同時噴涂使WC顆粒分布更加彌散，Cr23C6、WC顆粒是提高涂層硬度和耐磨性的關鍵[15]。

圖4 涂層和鋁合金的顯微硬度Fig. 4 Microhardness of coating and aluminum alloy

2.3 涂層在模擬海洋環境中的磨損性能

由圖5可見：Ni 60+35% WC涂層的磨損率遠大于7075鋁合金，這表明在海洋環境中，涂層的耐磨性優于7075鋁合金。

圖5 Ni 60+35% WC涂層試樣和7075鋁合金基體試樣在3.5% NaCl溶液中的磨損率Fig. 5 Wear rates of Ni 60+35% WC coating sample and 7075 aluminum alloy substrate sample in 3.5% NaCl solution

由圖6可見：在3.5%NaCl溶液中磨損后，基體試樣表面存在深犁溝、寬犁溝、黏著特征以及嚴重的塑性變形，表明基體試樣的磨損機理是磨粒磨損和黏著磨損的結合。在3.5% NaCl溶液中磨損后，涂層試樣表面有輕微裂紋，犁溝現象并不明顯，其磨損機理可以認為是磨粒磨損和疲勞磨損的結合。由于硬質WC顆粒在Ni 60+35% WC涂層上呈彌散分布，使涂層具有高硬度，這進一步提高了涂層的耐磨性，使涂層保持了較低的磨損率[15]。BOLELLI等[21]報道了Fe-Cr-Ni-B-C合金涂層也存在類似的磨損機理。

(a) 7075鋁合金

由圖7可見：在3.5% NaCl溶液中磨損后，涂層試樣在其滑動面下方存在長裂紋，符合疲勞磨損機理。在模擬海洋環境中，涂層與摩擦副對磨時，摩擦裂紋在滑動接觸表面涂層下初步形核生長，并對滑動表面涂層產生剪切作用。在涂層滑動磨損過程中，疲勞磨損機制對磨損顆粒的產生起著重要作用，可將其視為微裂紋的萌生和擴展過程。在滑動磨損過程中，NaCl溶液也會影響磨損顆粒的產生，裂紋尖端容易發生化學活化反應[19]，特別是氯離子易與金屬發生反應，形成復雜的化合物[17]，促進裂紋的擴展，加速磨損顆粒的生成速率[17-18]。

(a) 7075鋁合金

2.4 涂層在模擬海洋環境中的電化學行為

由圖8和圖9可見：隨著靜水壓力的增加，兩種試樣的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位均增加，這是由于隨著靜水壓力的增加，離子活性和溶液電導率增加，反應速率提高[22]。相比于7075鋁合金，Ni 60+35% WC涂層的自腐蝕電流密度低得多，尤其是在9 MPa靜水壓力條件下，涂層的自腐蝕電流密度僅為7075鋁合金的1/10。Ni 60+35%WC涂層具有良好的耐蝕性，但是隨著靜水壓力的升高，涂層內部缺陷的存在使NaCl溶液在高靜水壓力下滲透到7075鋁合金中，加速了涂層/鋁合金界面處微電偶腐蝕的形成，導致了鋁合金的快速溶解。

(a) Ni 60+35% WC涂層 (b) 7075鋁合金圖8 試樣在不同靜水壓力3.5% NaCl溶液中的動電位極化曲線Fig. 8 Potentiodynamic polarization curves of samples in 3.5% NaCl solutions with different hydrostatic pressures： (a) Ni 60+35% WC coating; (b) 7075 aluminum alloy

(a) 腐蝕電位 (b) 腐蝕電流密度圖9 不同靜水壓力條件下，試樣的腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流密度(Jcorr)Fig. 9 Corrosion potential (a) and corrosion current density (b) of samples under different hydrostatic pressure conditions

3 結論

(1) Ni 60+35% WC涂層結構致密，孔隙和裂紋少，涂層與鋁合金的結合屬于機械結合，涂層的硬度為871±137 HV0.2，遠高于7075鋁合金基體。

(2) Ni 60+35% WC涂層的磨損率遠低于7075鋁合金。7075鋁合金的磨損機理主要是磨粒磨損和黏著磨損，涂層的磨損機理主要是磨粒磨損和疲勞磨損。

(3)高靜水壓力劣化了7075鋁合金和涂層的耐蝕性，兩者的自腐蝕電流密度和自腐蝕電位均隨著靜水壓力的增大而增大。