高性能FeCrMoNiCuBSiC非晶合金涂层的HVOF制备与耐蚀机理研究

为解决传统电镀硬铬(EHC)涂层环境污染问题并提升316L不锈钢的耐蚀性，研究人员通过水雾化制粉和超音速火焰喷涂(HVOF)技术，成功制备出非晶含量达90.6%的Fe50.5Cr20Mo15Ni5Cu2.5B4.5Si1.875C0.625涂层，其结晶起始温度达942K，在3.5% NaCl溶液中展现出优于EHC的耐蚀性，MoO3/Cr2O3耦合钝化膜机制为工业防腐提供了新方案。

　　

在材料科学领域，金属玻璃因其独特的非晶态结构一直备受关注。这种长程无序、短程有序的材料没有传统晶体中的位错和晶界，理论上应该具备超凡的力学性能和耐腐蚀性。然而现实却很骨感——块体金属玻璃往往面临尺寸受限、脆性大、成本高昂三大"魔咒"，严重制约了其实际应用。更令人头疼的是，传统电镀硬铬(EHC)等防腐涂层虽性能尚可，却因环境污染问题正逐步被限制使用。这种背景下，如何开发兼具环保特性和卓越性能的新型涂层，成为摆在材料学家面前的一道必答题。

来自中国的研究团队另辟蹊径，将目光投向了热喷涂技术。他们发现超音速火焰喷涂(HVOF)具有火焰速度极高(约1800m/s)、温度相对较低(约3000°C)的特点，既能保证约10⁵K/s的冷却速率满足非晶形成条件，又可减少氧化问题。但仅有工艺优势还不够，材料体系本身的非晶形成能力(GFA)同样关键。研究人员巧妙运用Inoue三原则，设计出Fe_50.5Cr₂₀Mo₁₅Ni₅Cu_2.5B_4.5Si_1.875C_0.625合金配方，并创新性地采用工业合金原料替代高纯金属，大幅降低成本。

研究团队通过水雾化制粉结合HVOF喷涂的工艺路线，系统考察了涂层的微观结构、热稳定性和腐蚀行为。X射线衍射(XRD)显示涂层非晶含量高达90.6%，但透射电镜(TEM)仍观察到α-Fe(Cr)、FeB等纳米晶相。差示扫描量热法(DSC)测得涂层结晶起始温度达942K(升温速率40K/s)，活化能约456kJ/mol，证实其优异的热稳定性。电化学测试表明，该涂层在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性显著优于EHC，这归因于高价态Mo消耗阳离子空位形成富Mo表面，与Cr₂O₃共同构建的耦合钝化膜机制。

组成设计原理

基于Inoue三原则：多组元(≥3元素)、主元间原子尺寸差>12%、负混合焓。特别引入高化合价Mo通过消耗阳离子空位提升钝化膜稳定性，Cr/Mo协同作用使钝化电流密度降低一个数量级。

粉末制备与表征

采用水雾化技术制备的粉末球形度达92%，粒径主要分布在15-53μm区间。XRD显示粉末非晶特征明显，仅含微量Cr₂₃C₆晶相。相比传统纯金属工艺，采用低碳铬铁等工业原料使成本降低40%。

涂层性能分析

HVOF喷涂后涂层孔隙率<1.5%，结合强度达65MPa。TEM观察到5-20nm的α-Fe(Cr)等纳米晶分散在非晶基体中。动电位极化测试显示自腐蚀电位比EHC正移180mV，钝化区宽度增加3倍。

这项发表于《Surface and Coatings Technology》的研究，不仅证实了HVOF制备大尺寸非晶涂层的可行性，更开创了工业合金替代高纯金属的新思路。其揭示的MoO₃/Cr₂O₃协同钝化机制为设计新一代防腐涂层提供了理论依据。特别值得注意的是，该技术可直接在316L不锈钢基体实施防护，对海洋工程、石油化工等苛刻环境下的装备延寿具有重要应用价值。未来通过优化喷涂参数控制纳米晶相分布，有望进一步突破非晶涂层韧性与耐蚀性的平衡难题。