激光表面处理对高速钢叶片镍-氧化铝涂层抗冲蚀与耐腐蚀性能的强化研究

《Applied Research》：Laser Surface Treatment of Nickel-Alumina Coating for Enhancement of Erosion and Corrosion Resistance of High Speed Steel Vanes

　　

液压叶片泵叶片尖端与定子圈内表面间的滑动磨损可引发疲劳裂纹并影响叶片表面的耐久性。本文研究了激光表面处理对等离子喷涂镍-10%氧化铝（Ni-10%Al₂O₃）涂层高速钢（HSS）叶片抗冲蚀及耐腐蚀性能的影响。研究人员采用20 W纳秒激光器，在6 W、13 W和18 W三种不同激光功率下对液压叶片进行表面处理。冲蚀试验使用自主研发的浆体冲蚀试验台架，以混入5%石英砂的ISO-32级液压油为介质进行。采用动电位极化（Potentiodynamic polarization）与电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS）评价腐蚀行为。结果表明，激光表面处理改善了涂层叶片的表面织构与显微硬度。在最高激光功率处理的涂层叶片上观察到最高腐蚀抑制效率达81.3%，这一趋势在电化学阻抗谱研究中也保持一致，最高激光功率处理涂层叶片的抑制效率为78.5%，未处理涂层叶片则为65%。扫描电子显微镜观察显示涂层均匀致密，但存在少量孔隙、扁平粒子（splats）及未混合粉末。

基于激光表面处理强化镍-氧化铝涂层高速钢叶片抗冲蚀与耐腐蚀性能的论文解读

**研究背景与问题**

高速钢（High Speed Steel, HSS）叶片凭借其硬度高、耐磨性强和韧性优异等特点，被广泛应用于液压系统。然而，叶片尖端与定子圈（cam ring）内表面之间的滑动接触、颗粒冲蚀及空蚀作用会在液压叶片零件中引发疲劳裂纹，严重影响其使用寿命。此类问题属于过程工业中普遍存在的侵蚀性磨损（erosion）与侵蚀-腐蚀（erosion-corrosion）协同损伤范畴。当固体颗粒裹挟于腐蚀性载液中时，机械去除与电化学溶解同时进行，产生的协同损伤远超两者单独作用之和。据估算，冲蚀与腐蚀联合造成的经济损失接近全球国内生产总值（GDP）的3.4%，其中油气行业受损最为严重。

液压叶片泵在该类问题中表现尤为突出，因为叶片尖端在同一工作循环内承受滑动接触、颗粒冲击及空蚀三重作用。传统上，选择耐磨涂层是提高叶片耐久性的主要技术途径。镍-氧化铝复合涂层（含10% Al₂O₃颗粒）兼具镍的延展性与氧化铝的高硬度（700 HV 对镍的 45 HV），能有效减缓磨损至纯镍涂层的18.5%，同时氧化铝颗粒通过化学惰性阻挡电解液渗透，将腐蚀电位向正值方向引导，提升耐蚀性。已有研究表明，热喷涂或电沉积镍-氧化铝涂层可改善部分等级钢材的冲蚀行为，但通过激光表面改性实现涂层微观组织和形貌的精确调控，从而提升液压元件的功能性和耐久性，在已有研究中尚未见系统探索。因此，该研究旨在对高速钢叶片表面等离子喷涂沉积镍-氧化铝涂层，并采用纳秒激光进行表面处理，以改善冲蚀与腐蚀性能。

**研究内容与结论**

研究人员采用空气等离子喷涂（plasma spraying）技术在HSS M2叶片表面沉积Ni-10%Al₂O₃涂层，并利用纳秒光纤激光（波长1064 nm、脉宽100 ns）在6 W、13 W和18 W三种功率下对涂层表面进行激光处理。通过自制浆体冲蚀试验台架（采用ISO VG 32液压油混合5%石英砂、转速360 rpm、冲蚀时长10分钟）、动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）等手段，系统评价了激光功率对叶片冲蚀和腐蚀行为的影响，并通过扫描电子显微镜（SEM）观察表面形貌，利用三维激光扫描共聚焦显微镜测量表面粗糙度，以维氏硬度计评价显微硬度变化。

**研究结果**

**3.1 表面粗糙度参数**：利用3D激光扫描共聚焦显微镜，采用基于ISO 25178-2:2012规范的面积法测得表面纹理参数。等离子喷涂Ni-10Al₂O₃涂层叶片初始粗糙度较高，激光处理后表面更为平滑。未处理涂层叶片平均粗糙度（Sa）为11.47 μm，激光处理后在9.02—9.06 μm范围内有所降低，其中13 W处理条件呈现最大改善效果。最大峰高（Sp）从未处理的87.21 μm显著降至18 W条件下的41.12 μm，削减幅度达52.9%，说明激光处理优先截断突出粗糙峰而非均匀平滑化。峰度（Sku）由3.56向2.94移动，接近高斯分布，表明高度分布平坦化，极端高度值减少。

**3.2 硬度**：依据ISO 6507/ASTM E384标准，施加1000 g载荷、保压15 s的微维氏硬度测量显示，激光处理可提高涂层叶片平均显微硬度，从未处理涂层的（239.8 ± 2.13）HV分别提升至6 W的（251.1 ± 2.16）HV、13 W的（254.5 ± 2.16）HV和18 W的（255.5 ± 2.01）HV，增幅分别为4.7%、6.1%和6.5%，且硬度提升在13 W时趋于饱和。

**3.3 冲蚀行为**：自制浆体冲蚀试验台架测试结果表明，未涂层叶片平均质量损失为（1.02 ± 0.07）mg，Ni-10Al₂O₃涂层未处理叶片质量损失降至（0.23 ± 0.02）mg，而经6、13及18 W激光处理的涂层叶片质量损失进一步降低至（0.19 ± 0.01）mg、（0.16 ± 0.02）mg和（0.15 ± 0.01）mg。相较裸基体，涂层本身降低了77%的冲蚀速率，激光处理可进一步在涂层基础上削减17%—35%。相关性分析表明，质量损失与最大峰值高度（Sp）高度正相关（r = +0.99），而与显微硬度呈负相关（r = ?0.97）。

**3.4 腐蚀行为**：在0.1 M HCl介质中动电位极化（PDP）结果显示，18 W功率处理涂层叶片获得最高腐蚀抑制效率为81.3%，未处理涂层叶片为53.5%，6 W和13 W分别为66.2%和67.3%。电化学阻抗谱（EIS）表征观察到双时间常数行为，激光处理后极化电阻增大、界面电容降低，最高抑制效率达78.5%（18 W）。激光处理未改变腐蚀机理，阴极和阳极塔菲尔斜率基本不变，说明其属于屏障型防护而非化学抑制。

**3.5 表面表征**：SEM图像显示喷涂态涂层呈均匀致密层状结构，但含有扁平碎片（splats）、块状物、未混合氧化铝颗粒、空洞和孔隙。激光处理后在6 W和13 W下观察到重熔层、细化显微组织、颗粒均匀分布及球状颗粒形成，而18 W高功率处理后在最大放大倍数下观察到了热诱发裂纹，说明过高的激光功率可导致涂层体系灾难性失效。

**总结讨论与结论**

研究结果表明，激光表面处理显著改善喷涂层叶片表面纹理和显微硬度，有效提升抗冲蚀和耐腐蚀性。尽管18 W功率在各项指标呈现最优数据，但相对13 W的增益均位于测量误差范围内，且18 W时通过SEM明确观察到热致裂纹，威胁涂层层级完整性，提供直接电解液通路威胁。据此，13 W被确定为该镍-氧化铝（Ni-10 Al₂O₃）涂层体系的实用最优激光处理功率，兼顾最低粗糙度、最深谷深和完整无裂纹重熔层。等离子喷涂Ni-10%Al₂O₃涂层可有效降低高速钢叶片水力机械冲蚀速率（由0.102 mg/min降至0.023 mg/min），纳秒激光表面处理可在涂层次基础上进一步降低冲蚀速率（最低至0.015 mg/min），并显著提升腐蚀抑制效率（由53.5%提升至81.3%）。该研究为液压叶片表面改性提供了新的工艺路径和参数依据。