超声冲击处理诱导局部晶化后非晶复合涂层的腐蚀与磨损行为

《Surface and Coatings Technology》：Corrosion and wear behavior of amorphous composite coatings after local crystallization induced by ultrasonic impact treatment

　　

摘要

腐蚀和磨损引起的协同退化通常限制了轴类部件在海洋环境中的服役耐久性。常用于修改此类部件表面的非晶涂层，由于其固有的脆性，在性能和实际应用方面都受到严重限制。本研究采用超高速激光熔覆（UHSLC）制造非晶涂层，然后采用不同覆盖率的超声冲击进行处理。该处理诱发了涂层表面的局部晶化，产生了一种由非晶相和晶粒相组成的复合结构。与未处理的涂层相比，200% 覆盖率下超声冲击处理（UIT）产生的复合层表现出显著提高的塑性，从而大大增加了其耐磨性。此外，该处理诱发的蝴蝶形富铬晶粒促进了在苛刻介质中形成致密的钝化层。这种保护膜增强了电化学耐蚀性和摩擦腐蚀性能，同时降低了摩擦系数和磨损率。这些改进在长期海洋服务中提供了更有效的保护。

引言

非晶固体呈现出一种独特的原子结构，具有长程无序和短程有序的特征。与晶态固体不同，它们不含常规的微观结构特征，如晶界、位错或明显的成分偏析。因此，这种独特的构型赋予了高强度、高硬度以及卓越的耐磨和耐蚀性 [1], [2]。使用非晶合金作为表面涂层充分利用了其优势，如均匀的微观结构和低缺陷敏感性；当作为涂层应用时，非晶合金显著增强了基体表面性能，同时最大限度地减少了对昂贵合金材料的消耗。这些优势为其在海洋工程、石油化工处理、航空航天系统和能源设备中的应用提供了巨大潜力 [3], [4]。然而，此类服役环境中的关键部件经常在长时间内暴露于多种相互作用因素的组合中，包括冲击载荷、循环应力、摩擦、磨损和腐蚀介质。这种情况对涂层的强度、韧性和长期可靠性提出了严格要求 [5], [6]。非晶结构缺乏稳定的位错滑移机制，因此塑性变形往往局限于少数剪切带，这伴随着高应变集中和快速的裂纹扩展 [7], [8]。同时，涂层沉积过程产生的孔隙、微裂纹和残余拉应力加剧了其固有脆性，促进了在复杂载荷条件下的开裂、剥落甚至过早失效 [9], [10]。因此，在不降低其固有高硬度或耐磨耐蚀性的情况下提高非晶涂层的延展性和韧性仍然是一个紧迫的挑战。

为减轻非晶涂层有限的塑性变形能力和脆性断裂倾向，先前的研究主要采用了包括合金成分优化、引入增韧第二相、沉积后热处理和激光重熔在内的策略 [11], [12], [13], [14]。尽管优化合金成分可以定制非晶形成能力和原子间结合，但设计程序仍然复杂，并且成分修改可能会降低涂层硬度、耐磨性和耐蚀性。相比之下，引入金属或陶瓷颗粒以及纳米晶相可以通过阻碍裂纹扩展和促进剪切带分离来提高韧性，从而为增强涂层的损伤容限提供有效途径。然而，这些增强相容易团聚、氧化和界面结合不良，它们也可能成为新的裂纹源。通过控制晶化过程，常规热处理和激光重熔可以生成非晶相和晶相共存的微观结构。然而，可操作温度区间有限，且很难准确控制晶化程度和晶粒尺寸。此外，过度晶化可能会诱导脆性金属间化合物的析出，导致涂层软化、氧化和热应力集中。相比之下，超声冲击处理（UIT）期间冲击销的高频往复运动在涂层表层施加了严重的塑性变形并产生了高密度的缺陷。该过程促进了自由体积重分布、局部原子迁移和短程有序结构重排。从而诱导非晶基体局部晶化并形成复合涂层。在这种涂层中，非晶相和细晶相协同作用 [15]。由此产生的弥散晶相中断了主导剪切带的快速推进，同时促进了多个次级带的成核和偏转。它们还钝化扩展的裂纹尖端，从而重新分布局部应变，抑制应力集中，并提高涂层的抗脆断能力 [16]。UIT 还可以减少孔隙率，最小化表面缺陷，并引入有利的压应力以降低残余拉应力。与成分控制和热处理方法不同，该技术不需要改变涂层的化学成分。其优点包括低热输入、可控的处理区域、高处理效率、工艺灵活性以及适用于复杂部件表面。这为平衡非晶涂层的高硬度和延 - 脆性能提供了一种新的技术途径 [17], [18]。

在本工作中，通过超高速激光熔覆（UHSLC）制备了铁基非晶涂层。该过程形成了表现出非晶相和晶相协同强化的复合涂层。系统评估了冲击覆盖程度对微观结构变化、机械特性、耐磨性和耐蚀性的影响。此外，在干滑动和腐蚀条件下系统地评估了摩擦腐蚀性能。特别关注了处理诱导的晶化与涂层性能之间的关系。该分析揭示了局部晶化、残余应力和耐磨性之间的内在关系。研究结果阐明了 UIT 如何调节非晶基体内的局部晶化并增强对磨损和腐蚀相关退化的抗性。这些成果为设计和制造具有高强度和韧性的铁基非晶复合涂层提供了理论基础，使其能够实际部署。

章节摘要

涂层制备

使用直径 60 毫米、长度 120 毫米的 AISI 1045 钢棒作为基体，我们通过对非晶粉末送丝进行超高速激光熔覆沉积了铁基非晶涂层。图 1 示意性地描绘了完整的制备过程，而基体的化学成分见表 1。

图 2 示意性地展示了应用于涂层的 UIT。如图所示，UIT 处理参数通过控制箱调节，并且

微观结构

为了阐明 UIT 覆盖率对非晶涂层微观结构的影响，利用扫描电子显微镜检查了抛光横截面。图 4 中显示的微观照片对比了未处理的涂层和在不同覆盖率下处理的涂层。所有样品都表现出基本上无缺陷的致密结构。在所有情况下都保留了清晰的熔合边界，表明界面处具有稳健的冶金结合。尽管冲击存在变化

结论

• 1.
  UIT 成功诱导了非晶涂层内的局部晶化，产生了非晶/蝴蝶晶复合结构。在评估的覆盖率中，200% 提供了最理想的整体性能，因此被确定为最佳处理条件。
• 2.
  对涂层进行纳米压痕机械性能测试显示，延展性和硬度有显著改善，增强了涂层对裂纹扩展的抗性。
• 3.
  UIT 8–200%

CRediT 作者贡献声明

Mingjun Yan：撰写 - 初稿，方法论，调查，数据管理。Xiaolin Bi：撰写 - 审阅与编辑，监督，方法论。Zhibin Zhang：形式分析，数据管理。Lei Qiao：调查，数据管理。Yiming Zhang：形式分析，数据管理。Jiangbo Cheng：资源，调查。Ruifeng Li：撰写 - 审阅与编辑，监督，方法论，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能被视为影响了本论文中报道的工作。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（编号52475359 和52505382）的支持。

Mingjun Yan|Xiaolin Bi|Zhibin Zhang|Lei Qiao|Yiming Zhang|Jiangbo Cheng|Ruifeng Li

江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江，212100，中国