B?O?助熔剂辅助的粘结机制，实现了气体密封、耐腐蚀的NiCrB涂层的等离子喷涂

《Journal of Materials Science & Technology》：B 2O 3 fluxing-assisted bonding mechanisms enabling plasma spraying of gas-tight corrosion-resistant NiCrB coating

大气等离子喷涂（APS）涂层因界面结合不牢易被腐蚀，本研究通过添加硼（B）至粉末，形成低熔点B?O?薄膜实现自熔融，解决了传统APS涂层中金属氧化物阻碍冶金结合的问题。实验表明，B?O?薄膜在后续高温熔滴冲击下完全熔融，促进中心区域冶金结合，边缘区域通过B?O?液态桥接实现全界面 bonding，涂层致密性达99.6%，结合强度达260 MPa，抗渗漏性优于传统Ni20Cr涂层4个数量级，硬度超900 HV，兼具优异耐腐蚀和耐磨性能，为替代高污染硬铬电镀提供新方案。

　　大气等离子喷涂（APS）作为一种重要的表面工程技术，长期以来被广泛用于在大型工程部件上制造厚金属涂层，以提供抗腐蚀保护。然而，这一工艺在实际应用中存在一个显著的瓶颈问题，即在各个溅射层之间的界面处，由于粘结不充分，导致腐蚀性物质（尤其是气体分子）能够渗透通过。这种不充分的粘结主要归因于溅射层表面不可避免形成的薄氧化层，这会阻碍金属与基材之间的润湿和结合。为了克服这一问题，本研究提出了一种新的策略，即通过在喷涂粉末中添加硼（B），在溅射层表面优先形成薄的B?O?氧化层，从而在整个APS过程中提供自熔剂效应，实现溅射层之间的完全粘结。

本研究的实验方法包括对溅射层界面的聚焦离子束（FIB）制备样本进行实验分析，并结合熔融/基材界面温度的数值模拟来阐明粘结形成机制。通过这些实验和模拟，研究者能够清晰地了解涂层的微观结构、其阻挡腐蚀性物质渗透的能力以及拉伸粘结强度。实验结果表明，B?O?的低熔点（450°C）使得其在溅射过程中能够液化，从而完全润湿已经沉积的溅射层，并实现连续溅射层之间的冶金粘结。这种粘结效果显著提升了涂层的拉伸粘结强度，达到了260 MPa。此外，形成的致密金属涂层能够有效阻挡气体腐蚀性介质的渗透，表现出极强的抗腐蚀能力。B合金化涂层的硬度高于900 HV，不仅显著提升了其耐磨性，还为传统硬铬电镀提供了一种更安全、有效的替代方案。

本研究还通过多种实验手段验证了该策略的有效性。例如，通过He气体泄漏测试评估了涂层对气体介质的密封能力，以及通过长期盐水浸泡测试评估了涂层的抗腐蚀性能。结果显示，B?O?氧化层的形成有效防止了腐蚀性物质的渗透，使得涂层在长时间浸泡后仍能保持良好的性能。同时，通过单次划痕测试评估了涂层的耐磨性，结果表明B合金化涂层在高负载下表现出更优的抗划痕性能，其磨损体积显著低于传统涂层。

研究进一步揭示了B?O?在溅射过程中的作用机制。在溅射过程中，B?O?氧化层的形成不仅防止了基材的氧化，还通过其低熔点特性，使得后续熔融滴落能够有效润湿已沉积的溅射层，从而实现冶金粘结。这种自熔剂效应在实验中得到了验证，表明B?O?的引入显著改善了涂层的致密性，提升了其抗腐蚀和抗磨损性能。此外，研究还探讨了B?O?氧化层的形成与熔融滴落之间的相互作用，发现其能够有效降低溅射层之间的界面接触角，从而促进更有效的润湿和粘结。

本研究的成果不仅限于特定的涂层材料，还展示了其在多种金属合金涂层中的普适性。例如，B合金化策略不仅适用于Ni基涂层，还适用于Cu基、Fe基和Co基合金涂层。这种全过程中自熔剂策略为APS技术在抗腐蚀和抗磨损领域的应用提供了新的可能性，使得其成为一种更优的解决方案。通过这一策略，研究人员成功克服了传统APS涂层在界面处的不完全粘结问题，实现了涂层的高致密性和高粘结强度，从而显著提升了其在实际工程应用中的性能。

本研究还强调了B合金化粉末在喷涂过程中的设计重要性。通过精确控制粉末的化学组成，确保在喷涂过程中能够形成B?O?氧化层，从而避免其他金属氧化物的形成。这种设计不仅提高了涂层的致密性，还通过B?O?的自熔剂效应，使得涂层在界面处能够实现冶金粘结。此外，研究还探讨了B?O?氧化层在不同温度条件下的行为，发现其能够在不同阶段有效液化，从而促进溅射层之间的完全粘结。

总的来说，本研究通过引入B元素，有效解决了大气等离子喷涂过程中溅射层之间粘结不充分的问题，使得涂层具有更高的致密性和抗腐蚀能力。这一策略不仅提升了涂层的物理性能，还为实际工程应用提供了新的可能性，特别是在需要抗腐蚀和抗磨损的领域。研究结果表明，B合金化涂层在多种测试中表现出优异的性能，包括高拉伸粘结强度、高硬度和良好的密封能力。这些发现为未来开发更高效、更环保的涂层技术提供了重要的理论依据和实验支持。