mo基非晶涂层的制备及其耐腐蚀性能研究

mo基非晶涂层的制备及其耐腐蚀性能研究

在腐蚀性方面，非晶态合金具有短程有序、结构均匀、无晶体缺陷等特点，表现出非常优秀的性能。其中,Fe基非晶合金具有高强度、高硬度、高的耐腐蚀特性和高晶化温度等特点,非常适合于制备恶劣服役环境中使用的材料。但直至目前,非晶合金在实际中还没有得到大范围推广应用,其性能优势远未能够充分发挥出来。限制非晶合金应用的最主要因素是其产品形态主要为薄带、细丝、粉末等,厚度或直径只有数十个微米,无法得到大块体非晶材料。涂层技术是一个理想的解决途径,Kishitake等采用各种热喷涂方法制备非晶涂层,发现只有用等离子喷涂获得了纯非晶涂层,其他热喷涂技术获得非晶晶相混合的涂层。利用等离子喷涂技术快速冷却特性,可以在金属表面获得大面积的、有较大厚度的非晶合金涂层,很大程度上扩展了非晶合金应用范围。在等离子喷涂Fe基非晶涂层过程中,涂层被氧化和涂层中存在气孔等缺陷,在腐蚀的过程中耐蚀性能变差,并没有表现出块体非晶所具有的强耐腐蚀性能。王丹等认为,制备非晶合金时,为了提高非晶合金的耐蚀性,可以在合金中加入Nb、Mo、Ta等元素。但是非晶合金中加入某些元素后会降低非晶合金的形成能力。为了进一步提高Fe基非晶涂层的耐蚀性能,本文将一种Mo基合金粉末加入到Fe基非晶粉末中,采用等离子喷涂技术制备出涂层,研究加入不同比例Mo基合金粉末后形成涂层的耐蚀性能。1涂层制备与物相分析选用一种Fe基非晶粉末和一种Mo基合金粉末作为喷涂原料,其成分见表1;两种粉末的XRD衍射图谱如图1所示。粉末用气雾法获得,形状很规则,基本为表面圆滑的球形颗粒,粒子大小主要分布在50μm左右。粉末分为三组,每组取Fe基非晶粉末100g,Mo基合金粉末分别为10、20和30g,分别记为Mo-1、Mo-2和Mo-3,其质量百分含量分别为9%、17%和20%,经机械球磨混合2h后再进行喷涂。涂层制备采用等离子喷涂法,设备为GP-80型大气高效等离子喷涂机,基材为45钢,尺寸15mm×5mm×60mm。喷涂前基体表面经除锈、除氧化皮、除油等清洁化处理和喷砂粗化活化处理。喷涂参数见表2,涂层厚度0.3mm。涂层制备完成后,采用D8X射线衍射仪对涂层进行物相分析。用JSM5610-LV扫描电镜分析涂层截面的显微结构。采用恒电位仪(EG&GPotentiostat/GalvanostatModel273)测定涂层在w(NaCl)=3.5%水溶液中的阳极极化曲线。试样作为阳极,参比电极为饱和甘汞电极,辅助电极为铂片,扫描速度为20mV/min。采用FQY/SH010型盐雾腐蚀试验机对不同比例的涂层进行168h盐雾腐蚀试验,用数码相机近距拍摄涂层经盐雾腐蚀后的照片。2结果与分析2.1机械阻燃涂层图2为非晶涂层截面扫描照片。可看出,涂层组织均匀一致,并未出现性质差异的区域。说明Mo基合金粉末与Fe基非晶粉末机械混合良好,在喷涂过程中也未出现物质偏聚现象。本涂层比较致密,气孔较少且分布均匀,很少集中出现大孔隙。喷涂粉末熔化良好,涂层与基材结合紧密,但还是主要表现为机械结合。结合面处出现了较大孔隙,这是因为基体表面较深坑洞所致。2.2mo基合金粉末Mo基合金粉末加入Fe基非晶粉末后喷涂形成的涂层为纯非晶,如图3所示。Mo基合金粉末中的Fe3Mo、MoB、Fe3B和Fe0.54Mo0.73等晶体相和Fe基粉末中Fe晶体相经过粉末球磨机械混合和等离子喷涂快速加热和快速冷却过程而消除。文献中指出,非晶合金中加入某些元素后会降低非晶合金的形成能力,在Fe基非晶粉末中单纯加入Mo粉末势必会降低其非晶形成能力。但Mo基合金粉末加入后,并没有降低涂层中非晶含量,相反的得到了纯非晶的涂层。这主要归因于两个方面,一是加入的Mo基合金粉末中非晶含量本来就比较高,当这种粉末与Fe基非晶粉末在球磨机中混合时,通过机械摩擦会诱导产生非晶相,使得粉末表面非晶化程度进一步提升。另一方面就是等离子弧喷涂的特性,等离子弧温度非常高,可达3000℃,当喷涂粉末快速送到等离子弧焰流中心即被快速熔化,然后又以接近音速的速度撞击粘附到冷的基体表面,以很大冷却速度发生凝固,形成非晶涂层。2.3涂层腐蚀能力和腐蚀风险Fe基非晶涂层和加入3种Mo基合金粉末后的涂层在w(NaCl)=3.5%溶液中的极化曲线如图4所示。由图4(a)可看出,Fe基非晶涂层自腐蚀电位为-477.4mV,腐蚀电流为819μA。阳极电流密度随阳极极化电位的升高而快速增加,没有出现明显的钝化区。图4(b)为Mo基合金粉末加入后形成涂层的极化曲线。可看出,电流密度随极化电位的升高缓慢增大,出现明显的钝化倾向,钝化区域最宽达600mV。虽然自腐蚀电位略有降低,但腐蚀电流密度降低了很多,最低只有30μA,表明涂层表面形成了致密稳定的钝化膜,起到了较好的隔离防护作用。加入不同质量分数的Mo基合金的涂层也有一定的差异,Mo-2和Mo-3相比Mo-1涂层具有更高的腐蚀电位和更低的电流密度,且随极化电位升高,腐蚀电流增加地更加缓慢,不像Mo-1以较快速度增加到110μA然后再缓慢增加,而是在较低电流密度时就出现钝化现象。随着Mo基合金粉末加入,涂层更早发生钝化现象,且电流密度长时间保持在很小范围,涂层耐腐蚀能力得到提升。图5为涂层腐蚀前后的照片。可看出,Mo-1涂层中具有大量锈斑,锈斑的颜色较深,呈黑灰色,腐蚀程度高。相比Mo-1涂层,Mo-2和Mo-3涂层腐蚀锈斑少了许多,且颜色变浅,腐蚀的锈斑只在局部区域连成一片。Mo-3涂层大面积锈斑更加少,这归咎于Mo和Cr元素的共同作用,Mo和Cr都可以在涂层表面形成富含Cr和Mo的钝化膜,并且Mo比Cr具有更宽的钝化区域,因此Mo基合金粉末加入后能够显著提高涂层抗腐蚀性能。另外Mo元素与Cr元素同时存在时,对促进了Cr离子在膜内的富集,进一步提高合金的耐蚀性。3mo基合金粉末加入量(1)Mo基合金粉末加入Fe基非晶粉末中,经过等