HVOF喷涂的WC-NiMoCrFeCo涂层的滑动电化学响应以及盐雾诱导的局部降解

《Surface and Coatings Technology》：Sliding electrochemical response and salt spray-induced localized degradation of HVOF-sprayed WC-NiMoCrFeCo coatings

　　

摘要

本研究对采用高速氧燃料（HVOF）喷涂技术制备的WC–NiMoCrFeCo涂层在滑动性能、连续滑动条件下的电化学响应以及中性盐雾侵蚀作用进行了探讨。在3.5 wt% NaCl溶液中，该涂层的摩擦系数和磨损率分别低于在空气中的值，分别为0.251和0.355，以及1.51 × 10^?6和1.91 × 10^?6 mm^3 N^?1 m^?1。基于ASTM G119标准的半定量分析表明，机械磨损占材料总损失的大约87%，而正的磨损-腐蚀相互作用贡献了约12%。连续滑动使腐蚀电位降低，腐蚀电流密度增加，并减弱了阻抗响应，这表明电解质更容易渗透到涂层界面并提高了界面处的电化学活性。在60天的中性盐雾暴露期间，尽管低频模量仍保持在10^4 Ω cm^2的数量级，但阻抗逐渐降低。涂层降解主要发生在某些颗粒间区域，而富含WC的基体结构仍然可识别。局部积累的化学异质氧化物可能部分限制了电解质的渗透路径。然而，阻抗的持续下降表明这种降解作用并不完全，涂层整体的防护性能并未得到恢复。总体而言，长期盐雾暴露导致了局部但分布均匀的降解现象。

引言

海洋环境中的部件常常同时面临含氯电解质的侵蚀、摩擦和间歇性滑动接触。在这种条件下，机械磨损会破坏表面膜，使电解质更容易接触到底层材料，从而引发磨损-腐蚀耦合降解[1][2][3][4]。高速氧燃料（HVOF）喷涂的碳化钨（WC）基陶瓷涂层因其结合了硬质的WC基体和金属粘结相而广泛用于承受严重滑动和磨料磨损的部件[5][6][7]。HVOF喷涂技术的高颗粒速度和较低的热输入有助于限制WC的脱碳，从而生成具有高硬度、良好粘结性能和低孔隙率的涂层[8][9][10]。然而，WC基涂层在海洋环境中的耐久性不仅取决于其机械强度，还取决于粘结相富集区域和可能提供电解质渗透路径的微观缺陷的电化学稳定性[10]。

金属粘结相在决定WC基涂层的摩擦学和腐蚀行为中起着核心作用[11][12][13][14]。传统的WC–Co涂层具有高硬度和耐磨性，但在含氯环境中容易发生腐蚀[15][16][17]。WC–Ni涂层通常具有更好的抗水性，尽管其硬度和耐磨性可能低于含Co的涂层[18][19][20]。WC–CoCr涂层因含有Cr的粘结相而能促进氧化物表面层的形成，从而提高耐腐蚀性[21][22][23]。然而，喷涂过程中产生的孔隙、颗粒间边界和微裂纹等缺陷仍可能促进长期暴露过程中的局部电解质渗透。因此，对于用于海洋环境的WC基涂层而言，如何在保持WC基体结构的同时限制粘结相富集区域的局部电化学降解是一个重要挑战。

近年来，多组分合金粘结相作为传统二元或三元粘结相系统的替代方案受到了关注[24][25][26][27]。多种合金元素的加入可以改变金属粘结相的力学性能、氧化行为和局部电化学活性。特别是含Ni、Cr、Mo、Fe和Co的NiMoCrFeCo粘结相，能够影响腐蚀产物的组成和空间分布。以往针对含多组分或高熵合金粘结相的WC基涂层的研究主要集中在涂层微观结构、硬度、耐磨性和短期腐蚀性能方面[28][29][30][31][32][33][34][35][36]。此外，还研究了含NiMoCrFeCo粘结相的WC涂层在水处理环境中的加工性能、微观结构和腐蚀行为[37][38][39]。这些研究表明，粘结相的化学成分会影响耐磨性与电化学降解之间的平衡。然而，对于连续滑动条件下的电化学响应以及盐雾诱导的局部降解在空间上的演变过程仍了解不足。特别是，在长时间盐雾暴露期间，粘结相富集缺陷内部形成的腐蚀产物的位置、纳米级结构和化学状态仍需进一步研究。

章节摘录

样品制备

本研究使用直径为25.4 mm、厚度为8 mm的圆柱形316L不锈钢樣品作为基材。喷涂前，样品经过乙醇超声清洗、空气干燥和喷砂处理，以增强涂层与基材之间的机械结合.

喷涂涂层的显微结构和相组成

图1总结了WC–NiMoCrFeCo原料粉末和喷涂后涂层的微观形态、元素分布及相组成。原料粉末表现为典型的球形团聚-烧结形态，表面粗糙且局部具有多孔性[43]。代表性粉末颗粒的元素分布图显示了W、Ni、Mo、Cr、Fe、Co和O的空间分布。

结论

本研究考察了HVOF喷涂WC–NiMoCrFeCo涂层的微观结构、摩擦学性能、在空气和3.5 wt% NaCl溶液中的滑动行为，以及静态和连续滑动条件下的电化学响应。通过60天的中性盐雾测试和周期性电化学阻抗谱分析，监测了涂层电化学响应的长期变化。采用表面扫描电子显微镜（SEM/EDS）、原位截面的透射电子显微镜-能谱（STEM-EDS）、高分辨透射电子显微镜-傅里叶变换（HRTEM/FFT）和X射线光电子能谱（XPS）技术，对盐雾暴露后的局部凹陷区域及其相关的腐蚀产物进行了表征。通过将宏观电化学变化与微观分析结果相结合，本研究旨在阐明局部降解的机制，并探讨腐蚀产物积累对电解质渗透的影响。

章节摘录

样品制备

本研究使用直径为25.4 mm、厚度为8 mm的圆柱形316L不锈钢样品作为基材。喷涂前，样品先经过乙醇超声清洗、空气干燥和喷砂处理，以增强涂层与基材之间的结合。