NiCr BSi涂层在酸性介质中耐腐蚀性能

倪成锦,张 虹,董艳春,阎殿然

(1.鞍山师范学院物理系,辽宁鞍山114005;2.秦皇岛职业技术学院,河北秦皇岛066100;3.河北工业大学材料学院,天津300130)

1 引 言

随着等离子喷涂设备和喷涂工艺的不断发展,高质量的涂层逐渐应用到磨损、腐蚀领域,因此有必要研究喷涂层的磨损、腐蚀过程.镍基合金具有良好的耐蚀性能,但是价格昂贵,采用等离子喷涂技术制备耐蚀合金包覆钢是实现高性价比的一种有效途径[1-3].NiCrBSi以其优良的耐磨、耐蚀等性能,被广泛应用于表面修复和表面强化工程中.镍基自熔性合金粉以其优良的耐磨性、耐蚀性在热喷涂领域中应用最为广泛,是热喷涂材料中最早实现系列化和商品化的粉末之一[4].对于镍基合金涂层的研究,多数在于激光重熔后涂层的组织及性能,耐蚀性研究多数为电化学腐蚀[5-10],还鲜有研究金属涂层特别是NiCrBSi(简称Ni60)涂层在酸性介质中的腐蚀过程和机理的报道.本文利用全浸泡实验研究NiCrBSi喷涂层在5%HCl,5%H2SO4(质量分数,下同)水溶液中的腐蚀过程和腐蚀机理.

2 实验设备及方法

采用50 kW的等离子喷涂设备,BT-G3型等离子喷枪,采用枪外送粉方式,喷制涂层.试样基体为 Q235热轧钢板.试样尺寸为20 mm×25 mm×3 mm,试样的待喷表面,经过喷砂或用粗砂轮打磨,除去铁锈,使试样表面粗化,以提高涂层与基体的结合强度.然后,再在粗化面上依次喷涂粘结底层及表面涂层.涂层厚度为0.4～0.6 mm.腐蚀实验采用5%H2SO4和5%HCl 2种腐蚀液,为了加快腐蚀速度,本实验采用沸腾的H2SO4和 HCl溶液.制作腐蚀金相试样时,先将腐蚀后的试样用丙酮浸泡12 h,除去涂在腐蚀试样周边的抗腐蚀粘接剂(302胶),然后用金相切割机(Q-2型)把腐蚀试样切开,由于试样被腐蚀后,涂层中存在腐蚀产物,所以涂层很容易脱落,在切试样时应从涂层的表面切向试样的基体.制成金相试样后,再对腐蚀试样进行显微组织观察.

涂层试样的金相分析采用PH IL IPS XL30/TM P型扫描电镜.同时借助扫描电镜的α射线能谱分析仪,进行组织中各点、线、面的元素分析.物相分析用 PH IL IPS X-Pert M PD型X-射线衍射仪.

3 实验结果及分析

3.1 Ni60自熔合金涂层的耐腐蚀实验结果

表1是 Ni60涂层在沸腾的5%H2SO4和5%HCl中的腐蚀结果.图1是Ni60涂层分别在沸腾的 5%H2SO4和5%HCl中的腐蚀失重曲线.将腐蚀结果(表1和图1)与A l2O3陶瓷的腐蚀情况[11]相比,Ni60涂层的耐腐蚀性能明显高于A l2O3涂层.Ni60涂层在5%H2SO4和5%HCl内的腐蚀失重规律相同,但在5%HCl溶液中的耐腐蚀性能略差于其在 H2SO4溶液中的耐蚀性.

表1 Ni60涂层的腐蚀过程中涂层剥落情况

图1 Ni60涂层在不同腐蚀液中的腐蚀失重曲线

3.2 Ni60涂层腐蚀试样的显微组织与成分分析

图2是Ni60涂层在沸腾的5%HCl中的腐蚀试样的显微组织SEM照片.从图2(b)中可以看到,经39 h的腐蚀后,涂层中几乎没有被腐蚀的痕迹,腐蚀过程主要发生在涂层与基体的界面处,这说明涂层自身的耐蚀性较好.

图3是Ni60涂层在沸腾的5%H2SO4中的腐蚀试样的显微组织SEM照片.从图3(b)中可以看出,经45 h腐蚀后,涂层自身被腐蚀的痕迹不明显,但是,在涂层与基体间的界面处发生腐蚀.由图3(a)可看出,Ni60涂层腐蚀21 h后,在涂层与基体结合处,就发现有少量的腐蚀产物(其成分见图4)出现,可见涂层中的通孔是Ni60涂层的腐蚀的主要原因,由于涂层中存在通孔,使得腐蚀液通过通孔与基体接触,在基体与涂层间发生电化学腐蚀,导致基体首先被腐蚀.孔隙中的腐蚀产物在腐蚀过程中不能被及时地排除,从而出现增重现象.

图2 Ni60涂层在5%HCl溶液内腐蚀的形貌变化

图3 Ni60涂层在5%H2 SO4溶液内腐蚀的形貌变化

图4 不同腐蚀液的Ni60涂层腐蚀产物的能谱分析

随着腐蚀时间的延长,腐蚀面积的增大,腐蚀部位与通孔间贯通并且形成腐蚀通路,以至于形成腐蚀液的对流,如图5所示.产生的气体和其他腐蚀产物可以从其他的通孔处溢出,从而加快了腐蚀速度,失重大幅度提高.当腐蚀产物的形成速度大于排出速度时便形成了腐蚀产物的聚集,导致涂层与基体之间出现裂纹,最终导致涂层剥落.

图6是Ni60涂层在沸腾的5%HCl和5%H2SO4中腐蚀不同时间的试样横断面的线扫描照片.比较图6中的图(a)和(b)可以证明以上的分析是正确的,图6(b)显示涂层的Cl元素比图6(a)涂层中的Cl增多,说明腐蚀确实是通过涂层中的通孔和孔隙来完成的.对比图6(c)和(d)也同样发现S元素在Ni60涂层中的变化随着腐蚀时间的增加也略有增长,在图6(c)中,S元素几乎近于一条直线,而在图6(d)中有所变化,这也证明了实际腐蚀过程同上面的分析是一致的.

孔隙的存在会使涂层的耐腐蚀性能下降,因此为了提高涂层的耐腐蚀性能必须对涂层进行封孔处理.目前研究采用溶胶-凝胶法研制 SiO2-A 12O3溶胶封孔剂[12],用浸渍-提拉法对等离子喷涂涂层进行封孔处理.封孔处理前后的SEM照片及孔隙率测试表明,封孔后涂层的孔隙率得到了明显的降低,封孔后涂层的耐酸、碱和盐腐蚀的性能均提高了50%以上,从而增强了涂层对基体的保护作用.

图6 5%HCl和5%H2 SO4腐蚀Ni60涂层的能谱分析

4 结 论

1)Ni60涂层在沸腾的5%H2SO4和5%HCl溶液中的腐蚀过程为:在腐蚀初期,腐蚀失重相当,但在5%HCl溶液中腐蚀到25 h时,腐蚀速度迅速增加,39 h出现涂层鼓泡.

2)在5%H2SO4溶液内腐蚀33 h后腐蚀速度迅速增加,腐蚀45 h后涂层鼓泡.

3)涂层的腐蚀主要集中在涂层与基体界面上,以腐蚀基体为主,涂层自身基本不被腐蚀,涂层具有良好的耐蚀性,造成腐蚀的原因是涂层中的通孔,即孔隙腐蚀是涂层腐蚀的主要原因.

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