应力作用下铁基非晶涂层腐蚀性能影响的研究综述*

王 勇 李 洋 吕 妍 张旭昀 毕凤琴

(1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆石化公司信息技术中心)

应力作用下铁基非晶涂层腐蚀性能影响的研究综述*

王 勇**1李 洋1吕 妍2张旭昀1毕凤琴1

(1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.大庆石化公司信息技术中心)

从铁基非晶合金和涂层的研究入手，概述了制备过程中残余应力和外加应力对涂层腐蚀性能的影响，以期为开展非晶涂层在力学和腐蚀环境中的研究提供理论指导，扩大非晶涂层的应用领域。

铁基非晶合金 应力 涂层 腐蚀

非晶态合金是一类远离平衡态、结构无序的刚性固体物质，具有许多特异的物理、化学性质，如接近理论值的高强度、高硬度、高弹性极限，优异的磁各向同性、优良的耐腐蚀性等[1]。自20世纪80年代开始成为国内外材料科学和凝聚态物理学界的研究开发重点，被誉为继钢铁和塑料后材料领域的第三次革命。铁基非晶合金具有较强的非晶形成能力，一直以来是人们研究的热点。1995年第一个块体铁基非晶(Fe73Al5Ga2P11C5B4)被开发[2]，2004年报道出直径为12mm的非晶钢(FeCrMoCBY)[3]，2007年直径达16mm的无磁性非晶钢(FeCoCrMoCBY)被成功制备[4]。铁基非晶合金具有高的强度和耐腐蚀性能、高的非晶形成能力、低廉的价格以及简单的制备工艺等，有望作为新型的工程结构材料得以应用。

和所有的非晶合金一样，脆性高、塑韧性差一直是铁基非晶合金作为结构材料应用的瓶颈，如果能将铁基非晶合金开发为一种涂层材料，则会进一步拓宽其应用领域。超音速火焰喷涂(High Velocity Oxygen Fuel/High Velocity Air Fuel，HVOF/HVAF)颗粒速度高，制备涂层孔隙率低，适宜于制备高非晶含量的耐蚀耐磨涂层[5]，它将成为船舶、水利及矿石开采等腐蚀磨损领域一种极具应用价值的材料，为工业界带来巨大的经济效益。

1 铁基非晶涂层研究概况

近年来，国际上诸多学者纷纷开展铁基非晶涂层制备工作。自2002年开始，美国国防部和能源部启动SAM(Structure Amorphous Metal)重大研究项目，采用HVOF工艺制备了SAM系列高耐蚀性能的铁基非晶涂层，耐蚀性优于C-22镍基合金[6]。至2009年，该涂层已用于储存美国内华达Yucca山的高放废物，降低核废料储存周期成本近580亿美元[7]。

国内诸多研究组在铁基非晶涂层制备、腐蚀、磨损及冲蚀性等方面开展了不少工作，进行了较为系统的研究，并致力于铁基非晶涂层在耐蚀耐磨领域的推广应用[8～19]。非晶涂层具有单相均匀结构特征和成分设计灵活可控性，为深入研究腐蚀问题提供了全新的视角。

2 残余应力对非晶涂层腐蚀性能影响

随着人们对非晶涂层工程化应用关注度的不断提高，力学因素的研究已经逐渐被提升至更为显著的位置。力学作用对涂层失效过程有着重要的影响，腐蚀使其破坏行为变得更为复杂。在力学和腐蚀耦合作用下，非晶涂层可能表现出与晶体材料不同的或特殊的性能，这些都将加深、拓展对非晶材料宏观力学性能、微观腐蚀机理及其相互关系的认识。

常规晶体材料在拉应力和特定腐蚀环境共同作用下会发生应力腐蚀脆性断裂(Stress Corrosion Cracking, SCC)。根据大量SCC 破坏事故中拉应力的主要来源统计资料表明，在SCC裂纹萌生阶段，残余应力往往起重要作用，可以有效控制或加速裂纹的萌生。外部应力的作用更不可忽视, 裂纹尖端将因缺口效应而产生较大的应力，进一步加速裂纹的扩展[20]。

在非晶涂层制备和使用过程中，残余应力和外部载荷的作用更是一个不可忽视的问题。残余应力作为影响腐蚀的力学因素的重要组成部分在工业应用中已经引起了很大的关注。热喷涂时，由于涂层厚度、喷涂工艺、颗粒速度以及与基体材料热膨胀系数和弹性模量等参数的差异，造成大量残余应力存在。残余应力既会引起涂层内微裂纹的产生，降低涂层强度以及与基体的结合强度；更会造成热喷涂层的开裂、分层和翘曲，造成涂层失效，进而影响其疲劳、腐蚀等使用性能[21～23]。但是有关残余应力对腐蚀、钝化和SCC的作用机制影响研究还不够深入，国内在这些方面开展的研究工作更少[24，25]。

3 外加应力对非晶涂层腐蚀性能影响

外部应力作用下会对涂层材料腐蚀过程以及表面钝化膜的稳定性产生影响。在应力状态下不锈钢形成的钝化膜易发生点蚀，对Cl-离子浓度也更为敏感，应力高临界Cl-离子浓度低[26]。但铁基合金和涂层具有比普通不锈钢更稳定的钝性，针对应力对其钝态敏感性的研究更具挑战性。碳钢的钝化速率随形变量增加而增加[27]，但应力增加又导致钝化膜的破坏程度增加[28]。可以想象，在应力作用下，钝化膜的破坏过程和自我修复过程是一个竞争关系。铁基非晶涂层稳定的钝化性能和特殊的结构特征，有助于理解它在应力作用下的钝化膜的稳定关系。

需要指出的是，非晶合金具有与晶体不同的微观结构与力学行为，使得它在应力和腐蚀介质下裂纹扩展的方式变得更为复杂。晶体在力学和腐蚀介质作用下，裂纹扩展主要有沿晶和穿晶两种类型，其塑性变形可以用位错滑移机制来解释。非晶合金拉伸与压缩断裂常常表现为脆性的剪切断裂，而且拉伸与压缩强度具有不对称性，剪切断裂角具有不一致性[29]，其拉伸断裂符合“椭圆准则”[30]。但非晶合金原子无序、无晶界缺陷的特征，使得应力作用下的非晶合金塑性变形机制并不明朗。对于非晶涂层在应力作用下微观作用机制尚缺少深入的研究。

4 结束语

非晶涂层是一种极具应用前景的新型材料。无论是对应力作用时非晶涂层的腐蚀行为，还是对应力作用下材料的微观作用机制，目前的研究还非常有限。在铁基非晶涂层开发应用之际，研究应力作用下非晶涂层的腐蚀影响行为，以及非晶涂层在可能的力学和腐蚀应用环境中的服役性能，是将此种材料的开发应用走向成熟的必要过程。

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SummaryofStudiesonCorrosionResistanceofFe-basedAmorphousMetallicCoatingsunderActionofStress

WANG Yong1, LI Yang1, LV Yan2, ZHANG Xu-yun1, BI Feng-qin1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.InformationTechnologyCenter,DaqingPetrochemicalCompany,Daqing163318,China)

Starting with investigating into Fe-based amorphous alloy and its coatings, the effects of residual stress and mechanical stress on the corrosion resistance of Fe-based amorphous coatings were elaborated to provide theoretical support for the study on the amorphous metallic coatings applied in mechanical and corrosive environments so as to broaden its application range.

Fe-based amorphous alloy, stress, coatings, corrosion

*国家自然科学基金项目(51401051)；黑龙江省自然科学基金项目(QC2013C056)。

**王 勇，男，1979年11月生，副教授。黑龙江省大庆市，163318。

TQ050.9

A

0254-6094(2016)03-0284-04

2015-09-08，

2016-04-25)