地鐵車輪熔覆涂層、界面和基體的耐腐蝕性對比研究

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.華東交通大學機電與車輛工程學院，江西 南昌 330013；3.江西制造職業技術學院機械工程學院，江西 南昌 330224）

0 引言

激光熔覆修復技術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表面缺陷修復技術，在機械、交通、化工和礦山等領域的金屬零部件修復方面具有重要作用[1-2]，在地鐵車輪局部損傷的修復方面具有明顯優勢。然而激光熔覆形成的熱影響區使熔覆材料的涂層、界面和基體位置的綜合性能具有明顯差異[3]。目前，已有學者研究了車輪表面局部激光熔覆修復涂層的滾動接觸性能，但尚未研究修復涂層界面位置的腐蝕機制。地鐵列車在潮濕環境中運行，界面位置典型的腐蝕機制可能會引起應力集中，在滾動接觸過程中易產生裂紋，導致涂層剝落，嚴重影響列車行駛過程中的安全。因此，該文利用電化學試驗及浸泡試驗重點研究了地鐵車輪表面局部激光熔覆修復涂層、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工藝開發和修復車輪的運用、維護提供有益幫助。

1 試驗部分

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%，保護氣體為Ar，在樣品表面進行三層激光熔覆試驗。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 基粉末化學成分表

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

圖1 電化學試樣切割示意圖

1.2 分析方法

利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對涂層、界面和基體的形貌特征進行觀察，同時采用掃描電子顯微鏡配備的能譜儀（EDS）分析涂層、界面和基體微區的元素組成。利用拋光機將試樣橫截面打磨拋光，浸泡于無水乙醇中，利用超聲波清洗機清洗，去除油污。將樣品浸泡于300mL 質量分數為3.5%的NaCl 溶液中進行腐蝕。鹽水腐蝕分為8 個周期，共計30 天，每個周期結束后，采用光學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，并對涂層、界面和基體微區的成分進行分析。

利用電化學工作站對不同試樣進行電化學測試，工作電極分別為涂層、熱影響區和基體試樣，參比電極是飽和甘汞電極，輔助電極是Pt 電極。電解液采用質量分數為3.5%的NaCl 溶液。電化學阻抗譜（EIS）的測試頻率為0.01Hz~105Hz，交流電信號（AC）的振幅為10mV。以0.5mV/s 的掃描速度在-0.8V~1.2V 進行動電位極化測試。需要注意的是，在阻抗和動電位極化測試之前需要靜止浸泡10min，以確保開路電位穩定。

2 結果與討論

2.1 組織結構分析

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，Fe 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，Fe 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”。可以明顯看出，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，Fe 基和Co 基熔覆涂層均存在明顯的界面現象，Fe基和Co 基熔覆涂層靠近界面位置的組織結構比涂層遠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 耐腐蝕性能測試分析

2.2.1 電化學測試分析

Fe 基和Co 基激光熔覆試樣涂層、熱影響區及基體在質量分數為3.5%的NaCl 溶液中的動電位極化曲線如圖3 所示，Fe 基和Co 基激光熔覆試樣涂層、熱影響區及基體極化曲線擬合結果見表2、表3。

圖3 Fe 基、Co 基熔覆試樣動電位極化曲線

表2 Fe 基試樣極化曲線擬合結果

表3 Co 基試樣極化曲線擬合結果

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

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，界面熱影響區次之，基體的耐腐蝕性最差。并且可以看出涂層出現了明顯的鈍化現象，表明在質量分數為3.5%的NaCl 溶液的腐蝕過程中，激光熔覆Fe 基局部修復涂層生成了鈍化膜[4]。從表3 可以看出，Fe 基試樣涂層、界面熱影響區和基體的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，根據法拉第-歐姆定律[5]，電化學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，界面熱影響區腐蝕速率介于Fe 基試樣涂層與基體之間，這與Icorr數據得到的結論一致。對圖3（b）及表3 的分析可知，Co 基樣品動電位極化曲線涂層、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，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照片如圖4 所示。

圖4 Fe 基、Co 基試樣斷面腐蝕后光學照片

從圖4（a）~圖4（d）可以看出，Fe 基試樣浸泡1天后，界面靠近基體一側因腐蝕而失去了金屬光澤，靠近涂層一側局部出現了黃褐色銹層，但整體仍保持較好的金屬光澤，基體部分已經嚴重腐蝕。隨著浸泡時間的延長，浸泡8 天后，靠近基體一側顏色變得暗淡，已經基本失去金屬光澤，靠近涂層一側也出現了較嚴重的點狀腐蝕并且腐蝕區域范圍向涂層方向延伸，冶金結合面靠近涂層一側出現了更多的點蝕情況。浸泡30 天后，靠近界面的涂層一側點狀腐蝕更嚴重。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現明顯腐蝕現象，而靠近界面的基體一側顏色同樣變得暗淡，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少許點狀腐蝕，同時有少許腐蝕現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。浸泡腐蝕進行到第30 天，基體表面完全腐蝕，呈現為深黑色，界面位置腐蝕區域繼續向涂層方向擴張并且出現了更深、更密集的腐蝕坑，靠近界面的涂層出現均勻分布的面腐蝕而非點狀腐蝕。分析其原因，可能是熔覆過程中基體元素進入Fe 基試樣涂層后分布不均勻，Fe 元素富集處首先出現了腐蝕，形成了點狀腐蝕。而Co 基試樣涂層在熔覆過程中稀釋率較低，基體元素進入基體少且分布均勻，因此Co 基試樣涂層在界面附近呈現均勻的面腐蝕。由此可見，Co 基修復試樣界面位置靠近涂層一側比Fe 基修復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位置均可在短時間內被鹽水完全腐蝕，涂層遠離界面位置均難以在鹽水浸泡后出現明顯腐蝕現象。這與電化學腐蝕試驗得出的結論相符。

3 結論

該文利用激光熔覆技術在ER9 地鐵車輪試樣局部制備了Fe 基和Co 基合金修復涂層，利用質量分數為3.5%的NaCl 溶液浸泡和電化學腐蝕試驗研究了激光熔覆樣品涂層、界面和基體位置的腐蝕機理。通過動電位極化曲線和阻抗譜測試分析，局部修復涂層不同區域的耐蝕性由強到弱依次為涂層、界面熱影響區和基體并且Co 基激光熔覆修復涂層耐蝕性優于Fe 基激光熔覆修復涂層，Co 基試樣界面熱影響區位置耐蝕性優于Fe 基試樣界面熱影響區位置。通過NaCl 溶液浸泡試驗發現，由于激光熔覆過程中基體對涂層的有稀釋作用并且基體元素在涂層內分布不均勻，因此Fe 基試樣涂層在靠近基體的位置易出現嚴重的點狀腐蝕。Co 基試樣涂層靠近基體的位置同樣易出現腐蝕，但趨向于局部的面腐蝕。涂層遠離基體的位置很難被腐蝕，界面及基體則在短時間內就被全面腐蝕。