采用HVOF喷涂技术制备的铁基非晶/纳米晶体涂层在腐蚀与空化侵蚀作用之间的相互作用

《Surface and Coatings Technology》：The interaction between corrosion and cavitation erosion of iron-based amorphous/nanocrystal coatings sprayed by HVOF

采用HVOF热喷涂制备三种不同小原子含量（15at%、20at%、25at%）的铁基非晶/纳米晶涂层，研究其在3.5wt% NaCl溶液中的腐蚀-空化侵蚀协同损伤机制。结果表明，涂层的小原子含量增加显著提升非晶相含量（39.9%→90.6%）、显微硬度（726→856 HV0.2）及耐蚀性，但空化侵蚀仍主导损伤过程（贡献率>90%），腐蚀通过促进空化损伤和应力集中起协同作用。建立耦合损伤模型揭示机械-化学协同机制，为海洋工程应用提供理论依据。

　　本研究聚焦于铁基非晶/纳米晶涂层在腐蚀与空蚀耦合条件下的性能表现。通过高能气体雾化（HVOF）技术制备了三种具有不同小原子含量（15 at.%, 20 at.%, 和 25 at.%）的铁基非晶/纳米晶涂层，旨在探索腐蚀与空蚀之间的协同效应及其对涂层性能的影响。研究结果表明，随着小原子含量的增加，涂层中的非晶相比例随之上升，从而显著提升了其微观硬度、耐腐蚀性和抗空蚀能力。这一现象的背后原因在于，非晶相具有独特的结构优势，其内部缺乏晶界和位错等缺陷，这些区域通常是腐蚀和空蚀发生的关键位置。然而，非晶相也存在一定的脆性问题，这在实际应用中限制了其广泛使用。相比之下，纳米晶相则表现出更高的硬度和强度，但其在高温下热稳定性较差，且在低温环境下容易出现脆性问题。通过将非晶与纳米晶结构相结合，铁基非晶/纳米晶涂层在硬度、强度、耐腐蚀性、耐磨性和热稳定性等方面表现出优异的综合性能。

研究还探讨了空蚀对涂层耐腐蚀性能的影响。通过在3.5 wt%氯化钠溶液中进行实验，发现空蚀不仅通过机械效应（如冲击波和微射流）加速了材料的损伤，还通过促进腐蚀过程中的电化学反应（如氧的转移和阴极还原）对涂层的腐蚀行为产生了重要影响。具体而言，空蚀提高了涂层的腐蚀电流密度，而腐蚀则通过增加表面粗糙度和暴露内部缺陷（如孔洞、微裂纹和晶界）加速了空蚀的进行。这些结果表明，空蚀和腐蚀之间存在复杂的相互作用，其协同效应显著增强了材料的总损伤程度，远超纯腐蚀或纯空蚀的单独影响。

此外，研究还揭示了涂层的微观结构对其抗腐蚀和抗空蚀性能的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱（EDS）分析，发现非晶相的增加导致了涂层中元素分布的均匀性提高，同时减少了腐蚀敏感元素（如Cr和Mo）的局部贫化现象。这种元素分布的均匀性有助于减少涂层的腐蚀倾向，从而提升其整体性能。另一方面，涂层中的孔洞和微裂纹等缺陷则成为腐蚀和空蚀的薄弱点，导致材料在服役过程中更容易发生损伤。

从实验数据来看，三种涂层在24小时内的总质量损失呈现出明显的差异。A15涂层的质量损失最大，达到90.6 mg，其次是A20涂层（69.2 mg）和A25涂层（60.1 mg）。这种差异主要源于非晶相含量的不同。A25涂层由于具有更高的非晶相比例，表现出更优的耐腐蚀性和抗空蚀能力。同时，研究还发现，在空蚀过程中，机械效应占主导地位，其贡献率超过90%，而化学效应则起到了辅助作用。这一发现对于理解非晶/纳米晶涂层在耦合环境下的损伤机制具有重要意义。

进一步分析显示，非晶相含量的增加有助于减少涂层的缺陷，从而降低腐蚀和空蚀的协同效应。具体而言，A15、A20和A25涂层的纯空蚀质量损失分别为56.2 mg、48.7 mg和45.5 mg，而纯腐蚀质量损失分别为3.16 mg、0.84 mg和0.17 mg。这表明，随着非晶相含量的提高，涂层的耐腐蚀性能显著增强，从而有效抑制了腐蚀对空蚀的促进作用。此外，空蚀对腐蚀的影响也因涂层结构的不同而有所差异。对于A25涂层，由于其高非晶相含量和低孔隙率，空蚀主要通过破坏其表面钝化膜，促进阳极溶解，从而导致腐蚀电位的负向偏移。而对于A15和A20涂层，空蚀则主要通过增强氧的转移，促进阴极还原，从而导致腐蚀电位的正向偏移。

研究还探讨了非晶/纳米晶涂层在实际应用中的潜在优势。这些涂层不仅具备优异的机械性能，还能有效抵抗腐蚀和空蚀的耦合损伤。通过提高非晶相含量，可以增强涂层的均匀性和稳定性，减少缺陷的产生，从而延长其在海洋环境中的使用寿命。同时，通过优化涂层的制备工艺，如控制小原子含量、改善涂层结构和减少孔隙率，可以进一步提升其抗腐蚀和抗空蚀能力。这些改进措施对于推动非晶/纳米晶涂层在海洋工程、水力机械部件、泵和螺旋桨等关键设备上的应用具有重要价值。

在耦合腐蚀-空蚀损伤机制方面，研究构建了一个系统化的模型，揭示了两种现象如何相互作用。空蚀通过机械效应（如冲击波和微射流）破坏涂层的钝化膜，暴露新鲜材料表面，进而引发腐蚀反应。同时，腐蚀通过促进Cl?离子的渗透和金属离子的溶解，进一步加剧了空蚀的损伤。这种相互促进的机制导致了材料的协同损伤，远超纯腐蚀或纯空蚀的单独影响。模型还指出，空蚀主要通过增加涂层的缺陷和促进纳米晶的晶化过程，加速了材料的损伤。因此，为了提升非晶/纳米晶涂层的性能，应着重于减少其内部缺陷、提高非晶相的稳定性和降低晶界形成速率。

综上所述，本研究通过系统的实验和分析，揭示了铁基非晶/纳米晶涂层在腐蚀与空蚀耦合条件下的性能表现及其损伤机制。研究结果表明，非晶相含量的增加有助于提升涂层的综合性能，减少缺陷，增强其抗腐蚀和抗空蚀能力。同时，空蚀和腐蚀之间的相互作用显著加剧了材料的总损伤程度，因此，在实际应用中，需综合考虑这两种因素，以优化涂层设计和制备工艺，从而满足海洋工程等复杂环境下的使用需求。未来的研究可以进一步探索不同成分和结构的非晶/纳米晶涂层在多种耦合环境下的性能表现，为材料科学和工程应用提供更全面的理论支持和技术参考。