关于在3.5 wt% NaCl溶液中通过HVOF喷涂法制备的NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层的气蚀侵蚀性能的研究

《Surface and Coatings Technology》：Study on cavitation erosion performance of NiCrAlY and NiCoCrAlYHfSi coatings prepared by HVOF spraying in 3.5?wt% NaCl solution

　　

摘要

采用高速氧气燃料（HVOF）喷涂技术制备的NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层具有良好的均匀性和致密度，但涂层内部观察到氧化现象。添加Co、Hf和Si元素有助于改善MCrAlX涂层的机械性能，使得NiCoCrAlYHfSi涂层的硬度（8.68?±?0.67?GPa）和硬度与弹性模量的比值（0.04979?±?0.0064）更为优越。NiCrAlY涂层具有较低的热力学腐蚀倾向和动力学腐蚀速率，其腐蚀电位（Ecorr）约为?343.1?mV，腐蚀电流密度（icorr）约为9.67?×?10^?9 A·cm^{?27?Ω·cm2，表明其具有更好的电荷传输阻隔能力。虽然添加Co、Hf和Si元素可以提高涂层的硬度、硬度和耐腐蚀性能，但并不一定能增强其长期的空化侵蚀抵抗力。NiCrAlY涂层在3.5?wt%的NaCl溶液中的体积损失率为0.1544?±?0.0072?mm3/h。这是因为NiCoCrAlYHfSi粉末的硬度较高，但在喷涂过程中形成更多缺陷（如气孔和内部氧化），从而削弱了涂层的结合强度。因此，涂层的孔隙率、氧化物夹杂物以及颗粒间的结合性对其抗空化侵蚀性能至关重要。因此，涂层成分和喷涂工艺需要根据设备的使用特性进行设计和优化。}

引言

空化侵蚀是液压部件（如泵叶轮、水轮机和船舶螺旋桨）在高速流体作用下常见的材料损伤形式[1],[2]。在现代工业中，高铬铸铁、316?L不锈钢、双相不锈钢和镍基合金等材料常被用作流道部件的主要结构材料。然而，由于质量轻且加工性能优异，铝合金更适合用于微型水下设备和特殊装备的轻量化改造。然而，当设备长期处于海洋环境中时，严重的空化侵蚀和腐蚀会容易导致设备过早失效。通过先进的表面工程技术沉积保护涂层或对部件进行局部修复是延长设备使用寿命和提高经济效率的常用有效策略[3],[4]。

MCrAlX涂层（M?=?Ni, Co, Fe; X?=?Y, Ce, Hf, Si, Ta等）因其优异的耐腐蚀性、抗氧化性、抗空化侵蚀性和高温稳定性，在海洋工程、航空航天和能源设备领域得到广泛应用[5],[6]。其中，Y元素（添加量0.1%?~?1.0%）作为活性掺杂元素，能够细化涂层晶粒并增强氧化层的附着力[7]；Si元素可提高涂层致密性，抑制海水渗透[8]；Hf和Ta元素可增强材料的高温硫化耐受性和热腐蚀抗性[9]；稀土元素（如Ce和La）可进一步净化晶界并减少结构缺陷[10]。

MCrAlX涂层的制备方法主要包括高速氧气燃料（HVOF）喷涂[11]、等离子喷涂（PS）[12]、电弧离子镀（AIP）[13]、电子束物理气相沉积（EB-PVD）[14]和激光熔覆[15]。其中，HVOF喷涂具有火焰温度低、颗粒速度高和颗粒停留时间短的特点[16]。HVOF喷涂的MCrAlX涂层具有高密度、低孔隙率和优异的结合强度，因此广泛应用于海洋工程领域。此类涂层的厚度通常为100–300?μm，致密度超过95%，结合强度超过40?MPa[17],[18]。

涂层的机械性能对其抗空化侵蚀性能至关重要。采用HVOF喷涂技术制备的镍基复合涂层（添加WC金属陶瓷）表现出良好的抗空化侵蚀性能[19]。然而，研究显示，腐蚀介质可能诱导表面缺陷（如气孔和孔隙），这些缺陷会成为空化侵蚀的优先成核点，进一步加剧涂层材料的损失[20]。Krella等人[21]发现，缺陷类型对镍基涂层的机械性能、电化学性能、抗空化侵蚀性能和耐腐蚀性能有显著影响。我们之前的研究表明，涂层的微观结构对其抗空化侵蚀性能有重要影响[22]。然而，现有研究尚不足以系统地揭示合金元素对MCrAlX涂层综合服役性能的影响。

因此，本文系统地研究了HVOF喷涂的NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层的微观结构、相组成和机械性能，特别关注了它们在3.5?wt% NaCl溶液中的腐蚀和抗空化侵蚀行为，并阐明了合金元素对涂层综合服役性能的影响，揭示了空化侵蚀失效的机制。本研究旨在为海洋环境中的流道部件提供MCrAlX涂层的工程应用提供理论基础和实验支持。

章节摘录

涂层制备

实验中使用的基材为7075铝合金棒，尺寸为Φ25 mm?×?7.7?mm。试样工作表面经过喷砂处理后，用乙醇和丙酮进行超声清洗。实验中使用的NiCrAlY粉末（Amdry 9624，粒径范围：-37?+?11?μm，Sulzer Metco，美国）和NiCoCrAlYHfSi粉末（Amdry 386，粒径范围：-63?+?5?μm，Sulzer Metco，美国）。这两种粉末的化学成分见表1。

粉末和涂层的微观结构

图2a和b展示了通过气溶胶法制备的两种商用MCrAlY粉末的扫描电子显微镜（SEM）形态。可以看出，这两种粉末均呈现规则的球形或近球形，粒径分布相对均匀。这一特征使得粉末在喷涂过程中具有良好的流动性，有利于提高沉积效率和涂层整体性能。图2c和d展示了这两种粉末的X射线衍射（XRD）图谱。

结论

本研究成功采用高速氧气燃料（HVOF）喷涂技术制备了NiCrAlY和NiCoCrAlYHfSi涂层，并系统研究了相组成、微观结构和机械性能对涂层腐蚀和抗空化侵蚀行为的影响。主要结论如下：

(1) 添加Co、Hf和Si元素显著改善了MCrAlX涂层的机械性能。与NiCrAlY涂层相比

作者贡献声明

郝恩康：撰写及审稿编辑。陈玉清：初稿撰写。王晓霞：数据可视化。王守勇：实验方法设计。刘汉源：实验研究。安瑞峰：数据管理和整理。贾莉：数据分析。魏连坤：结果验证。陈杰：资源获取与资金筹集。刘光：项目管理和资金筹集。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（项目编号：52205223和52471100）以及国家重点研发计划（项目编号：2024YFB3410800）的财政支持。

郝恩康|陈玉清|王晓霞|王守勇|刘汉源|安瑞峰|贾莉|魏连坤|陈杰|刘光

内蒙古金属材料研究所，宁波，315103，中国