采用高速空气燃料技术制备的可持续WC-FeCrNiMo涂层：其耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能与标准WC-CoCr涂层系统的对比

《Surface and Coatings Technology》：Sustainable WC-FeCrNiMo coatings by high-velocity air fuel technique: Corrosion and tribocorrosion performance compared to standard WC-CoCr system

该研究系统评估了HVAF工艺喷涂的WC-FeCrNiMo可持续涂层（不含钴）与标准WC-CoCr涂层的腐蚀及磨损腐蚀性能，发现细颗粒WC-FeCrNiMo涂层因致密微结构和优异电化学阻抗表现出更优的耐腐蚀性及稳定磨损率，为替代传统钴基涂层的环保解决方案提供了实验依据。

　　

Vasanth Gopal|Antonin Richie|Uva Narayanan|Praveenkumar Kesavan|Stefan Bj?rklund|Oliver Lanz|Sedigheh Bigdeli|Geetha Manivasagam|Shrikant Joshi

瑞典特罗尔海坦大学工程科学系，SE-461 86

摘要

本研究探讨了使用无钴粘合剂的可持续WC-FeCrNiMo涂层的腐蚀和摩擦腐蚀行为，该涂层通过高速空气燃料（HVAF）工艺沉积，并与标准WC-CoCr涂层进行了比较。系统评估了粉末粒度和粘合剂化学成分的影响。所有涂层均显示出致密的微观结构，同时保持了原料的特性，其中较粗的粉末具有更高的沉积效率。XRD分析显示相变极小，仅有轻微的脱碳现象。电化学测试表明，使用细WC-FeCrNiMo粉末制备的涂层具有更好的耐腐蚀性，表现为较低的钝化电流密度（I_pp）、明确的钝化平台以及更高的阻抗。在开路电位（OCP）和恒电位条件下进行的摩擦腐蚀测试显示，使用细WC-FeCrNiMo粉末沉积的涂层具有稳定的电化学响应和相似的磨损率。总体而言，尤其是使用细粉末原料的HVAF喷涂WC-FeCrNiMo涂层，在需要耐腐蚀性和耐磨性的应用中提供了有前景的可持续替代方案。

引言

基于碳化钨（WC）的金属基涂层通过热喷涂技术已被广泛用于保护各种工业部件免受磨损[1]、[2]。坚硬的WC颗粒提供了优异的耐磨性，而较软的金属则作为粘合剂，为碳化物提供物理支撑。这种硬碳化物与软粘合剂的结合赋予了材料显著的硬度和韧性，从而提高了耐磨性[3]、[4]、[5]、[6]。除了物理支撑外，粘合剂的选择对WC-金属基涂层的整体耐腐蚀性也至关重要。例如，虽然传统的WC-12Co涂层以其出色的耐磨性而闻名，但其耐腐蚀性能仍不令人满意。研究表明，在Co金属粘合剂中添加Cr可以显著提高耐腐蚀性[7]、[8]。例如，标准WC-10Co4Cr涂层由于其钝化能力和较低的微电偶腐蚀驱动力而表现出更好的耐腐蚀性[9]、[10]。这种优异的耐磨性和更好的耐腐蚀性的结合使得WC-10Co4Cr涂层被广泛用于保护易受磨损和腐蚀损坏的部件。然而，近年来人们越来越关注使用基于Co的粘合剂，因为它们具有潜在的健康危害，已知具有致癌性[11]。除了健康问题外，Co的供应链和价格也存在不确定性，欧盟将其列为关键原材料（CRM）[12]。

寻找基于Co的金属粘合剂的替代品在热喷涂领域逐渐受到重视，人们不断努力开发可持续的、低钴或无钴的WC-金属基涂层。基于Fe和Ni的金属粘合剂被认为是最有前途的替代品。Testa等人[13]研究了使用三种替代金属粘合剂（NiMoCrFeCo、FeNiCrMoCu和FeCrAl）通过高速氧燃料（HVOF）工艺制备的涂层的滑动磨损和腐蚀性能，并将其与标准WC-10Co4Cr涂层进行了比较。他们发现WC-NiMoCrFeCo涂层的耐腐蚀性优于WC-10Co4Cr涂层，而WC-FeCrAl涂层的耐腐蚀性略低。该研究小组还研究了使用相同NiMoCrFeCo、FeNiCrMoCu和FeCrAl粘合剂通过高速空气燃料（HVAF）喷涂制备的WC基涂层的性能[14]。尽管HVOF技术相比等离子喷涂等技术具有优势，但在沉积过程中通常会导致WC一定程度的脱碳。HVAF作为一种潜在的替代技术，由于其相对较低的燃烧温度和更高的动能，有助于减少沉积过程中的不希望发生的相变并提高附着力。为了利用HVAF技术的这些优势，开发并研究了使用上述Fe和Ni基粘合剂的WC基涂层的耐腐蚀性能。结果表明，使用Ni和Fe基粘合剂喷涂的涂层比WC-10Co4Cr涂层具有更好的耐腐蚀性[14]。在另一项研究中，Javed等人评估了HVOF喷涂的WC-Hastelloy C（WCH）和WC-10Ni5Cr（WCN）涂层的耐腐蚀性能，并将其与大气等离子喷涂（APS）Al₂O₃-40TiO₂涂层进行了比较。在电位动态极化和盐雾测试中，WCH和WCN涂层均表现出更稳定的电位，且没有腐蚀迹象。此外，这些涂层的生物污损活性也低于APS涂层，表明其整体耐腐蚀性能更优[15]。

对于WC基涂层来说，另一个关键挑战是它们在涉及磨损和腐蚀协同作用的动态服役条件下的表现，即“摩擦腐蚀”。这种形式的降解在船舶（螺旋桨、轴、阀门）、石油和天然气（泵和阀门）以及采矿（浆料泵和研磨机）等行业中普遍存在，这些部件同时受到磨损和腐蚀的影响。摩擦腐蚀的最重要特点是其降解机制非常复杂，与静态腐蚀和纯磨损的机制完全不同。例如，表面形成的钝化层通常机械强度较低，在受力作用下容易脱落，导致材料损失。Stack和El Badia[16]研究了通过HVOF工艺沉积的WC-CoCr涂层的侵蚀-腐蚀行为。他们发现，在侵蚀-腐蚀测试中，粘合剂-碳化物界面的优先腐蚀导致了更大的质量损失。Thakare等人[17]使用原位电化学测量方法计算了同时受到机械和电化学损伤的WC-10Co-4Cr涂层的质量损失。他们发现，由于纯磨损造成的质量损失比电化学磨损高出两到三个数量级。

鉴于WC基金属基涂层的腐蚀机制本身就是一个复杂的现象，由于微观结构的异质性，摩擦腐蚀条件下的机制更加复杂。这种复杂性要求评估涂层的耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能，以便更好地了解其降解行为。为了应对这一挑战，本研究旨在探讨使用新型可持续铁基粘合剂WC-FeCrNiMo通过HVAF沉积的WC基涂层的腐蚀和摩擦腐蚀行为，并比较了两种不同粒度的粉末。为了进行基准测试，还包含了一个标准的WC-CoCr系统。

部分摘录

原料和涂层沉积

本研究使用了两种不同粒度的WC-FeCrNiMo粉末（Amperit?619），分别是细粒度（25/5 μm）和粗粒度（45/15 μm）。这些粉末由H?gan?s AB公司提供，通过团聚和烧结工艺生产。为了基准测试，还使用了市售的粗粒度WC-10Co4Cr（Amperit?558.074 45/15 μm）和细粒度WC-10Co4Cr（Amperit?558.059 45/15 μm）。原料材料的详细信息见表1。

横截面微观结构分析

图2展示了细粒度和粗粒度WC-FeCrNiMo及WC-CoCr粉末的横截面形态。两种原料材料均表现出典型的球形形态，这是团聚和烧结粉末的特征。此外，微观结构显示细粒度和粗粒度粉末都存在金属粘合剂的团聚（以深灰色相表示）以及孔隙。

结论

本研究系统地研究了通过HVAF喷涂沉积的两种不同粒度的WC-FeCrNiMo和WC-CoCr涂层的耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能。主要发现总结如下：

•

无论粉末粒度和粘合剂化学成分如何，所有涂层都显示出致密的微观结构。使用细WC-FeCrNiMo粉末沉积的涂层由于颗粒反弹增加而具有较低的沉积速率

CRediT作者贡献声明

Vasanth Gopal：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，方法论，研究，数据管理，概念化。Antonin Richie：正式分析，数据管理。Uva Narayanan：研究，数据管理。Praveenkumar Kesavan：研究，数据管理。Stefan Bj?rklund：验证，资源管理，方法论，概念化。Oliver Lanz：撰写 – 审稿与编辑，验证，资源管理，项目协调。Sedigheh Bigdeli：撰写 – 审稿与编辑，

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时，作者使用了Grammarly软件来检查语法并进行改写以改进句子结构。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本手稿中的研究工作。

致谢

作者衷心感谢Knowledge Foundation项目“Advanced Coatings for Enhanced Sustainability – ACES”（项目编号：20220171）提供的财务支持。同时，作者还要感谢Magnus Sandberg在涂层喷涂方面的帮助。