沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于相對運(yùn)動而引起的金屬損壞現(xiàn)象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結(jié)果[1]。沖刷腐蝕環(huán)境廣泛存在于石油、化工領(lǐng)域，嚴(yán)重影響運(yùn)輸管道、葉輪及閥門等設(shè)備構(gòu)件的服役壽命。為避免和降低以上損害，可以通過表面處理方法來改善設(shè)備表面的力學(xué)和耐腐蝕性能。常用的表面處理技術(shù)包括等離子噴涂、氣相沉積、激光熔覆技術(shù)等。其中，激光熔覆技術(shù)是一種通過高能量密度激光熔化基材表面和熔覆材料并使其形成冶金結(jié)合熔覆層的新型表面處理方法。激光熔覆層的制備方法分別為同步送粉法和預(yù)置涂覆法[2]。使用激光熔覆技術(shù)制備的熔覆層具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐蝕性及優(yōu)良的界面結(jié)合強(qiáng)度[3,4]。Xu等[5]認(rèn)為，與等離子噴涂相比，激光熔覆工藝具有更高的效率，所獲熔覆層的微觀組織也更加精細(xì)。Pei等[6]研究認(rèn)為，激光熔覆層與基體之間的界面區(qū)冶金結(jié)合良好。

基于上述分析可知，鎳基激光熔覆層在復(fù)雜沖刷腐蝕環(huán)境中具有較好的應(yīng)用前景，對其進(jìn)行沖刷腐蝕行為的研究尤為必要。進(jìn)行沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)的常用研究方法包括管流式、噴射式及旋轉(zhuǎn)式。Zheng等[7]采用噴射式實(shí)驗(yàn)方法研究了鐵基非晶合金涂層的沖刷腐蝕行為，并通過失重法和電化學(xué)方法評估了其在含固相顆粒、不同沖擊角及不同流速條件下的沖刷腐蝕行為。張大偉等[8]利用旋轉(zhuǎn)式實(shí)驗(yàn)設(shè)備測試了鎳基復(fù)合熔覆層的抗沖刷腐蝕性能，并認(rèn)為其與熔覆層組織及韌化性直接相關(guān)。劉國宇等[9]通過自制旋轉(zhuǎn)式試驗(yàn)機(jī)證明了沖刷腐蝕速率受沖刷角、流體流速及溫度等多因素的影響。Tian等[10]通過旋轉(zhuǎn)式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)觀察到，沖刷角效應(yīng)是流體正應(yīng)力和剪切應(yīng)力共同作用的結(jié)果，其中，前者可以通過直接作用于樣品表面而使其產(chǎn)生裂紋或孔隙，后者則可以使表面膜層變薄或去除。姚新陽等[11]采用噴射式試驗(yàn)機(jī)研究了沖蝕介質(zhì)pH值對激光熔覆鈷基合金熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。經(jīng)過學(xué)者多年的努力，在材料沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)的開展及機(jī)理分析上均已積累了一定的基礎(chǔ)。然而，就鎳基激光熔覆層而言，其沖刷腐蝕行為的系統(tǒng)研究還較少，限制了該類熔覆層的推廣應(yīng)用。近幾年，Chen等[12,13]利用射流沖擊系統(tǒng)研究了多種因素下鎳基激光熔覆層的沖刷腐蝕行為，并揭示其與流體的沖刷速度及流體沖擊下熔覆層表面出現(xiàn)鈍化和去鈍化兩個過程有關(guān)。

本文為研究流體剪切應(yīng)力、正應(yīng)力及固相顆粒對鎳基激光熔覆層沖刷腐蝕行為的影響，采用自制管流式?jīng)_刷腐蝕試驗(yàn)機(jī)，對鎳基激光熔覆層在不同沖刷角及固相顆粒存在條件的沖刷腐蝕行為進(jìn)行了研究，所獲研究結(jié)果對該類熔覆層的實(shí)際應(yīng)用具有支撐和參考價值。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用高功率半導(dǎo)體激光器在Q235碳鋼基材上通過預(yù)置涂覆法制備鎳基激光熔覆層。Q235碳鋼基材的化學(xué)組成 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） 為：Si 0.37，Mn 0.08，C 0.16，S 0.04，P 0.04，F(xiàn)e余量。熔覆材料為鎳基合金粉末，其化學(xué)組成 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） 為：Cr 21，Mo 13，F(xiàn)e 5，W 5，Ni余量。激光熔覆過程中所使用的激光功率為3000 W，掃描速率為6 m/s，光斑直徑為8 mm，搭接率為35%。用線切割的方法將熔覆后的樣品切割成尺寸為10 mm×10 mm×4 mm的塊狀試樣，用240~2000#的SiC水性砂紙對熔覆層表面進(jìn)行打磨，并對磨制后的表面用粒度為1 μm的剛玉粉末進(jìn)行拋光處理，然后再依次用無水乙醇和蒸餾水清洗熔覆層表面并吹干，除待測10 mm×10 mm熔覆層表面，其余面用硅橡膠覆蓋。此外，用王水對試樣表面進(jìn)行腐蝕以利于熔覆層表面微觀組織的觀察。

采用自制管流式?jīng)_刷腐蝕試驗(yàn)機(jī)對處理后的激光熔覆層試樣進(jìn)行沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。在沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時同步進(jìn)行電化學(xué)測試。采用CS310型電化學(xué)工作站進(jìn)行電化學(xué)測試，測試時使用三電極體系，Pt片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，試樣為工作電極。沖刷介質(zhì)為3.5% （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） NaCl溶液和含有6 kg/m3不規(guī)則SiO2顆粒 （~75 μm） 的NaCl溶液。表1為沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)條件匯總。由于實(shí)驗(yàn)裝置的限制，沖刷速度選擇1 m/s。在正式開始沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)之前，預(yù)先沖刷30 min獲得穩(wěn)定的流速后同步進(jìn)行電化學(xué)測試。在獲得穩(wěn)定開路電位后測試試樣的電化學(xué)阻抗譜 （EIS） 及動電位極化曲線，并討論固相顆粒和沖刷角度對熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。利用裝配有能譜儀 （EDS） 的掃描電子顯微鏡 （SEM，Zeiss） 分析單相流中不同沖刷角度條件下鎳基激光熔覆層的表面形貌。

圖1   管流式?jīng)_刷腐蝕試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀組織

圖2是在SEM下觀察的熔覆層橫截面顯微形貌圖?？梢钥闯?，熔覆層的厚度約為1 mm；同時，碳鋼基體和熔覆層之間存在明顯的界面，且界面結(jié)合良好。圖3為利用試樣實(shí)際表面及截面顯微組織形貌圖構(gòu)建的熔覆層三維結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，熔覆層幾乎不存在明顯的孔隙和裂紋等缺陷，涂層的顯微結(jié)構(gòu)主要是由枝狀晶和枝間共晶組織組成，主干樹枝晶的周圍能看出延伸的二次枝晶臂。晶體的形態(tài)主要取決于溫度梯度 （G） 和凝固速率 （R） 以及G/R比值[14]。截面形貌顯示，從熔覆層/基體界面到熔覆層頂部區(qū)域，G/R比值不斷減小。涂層底部晶體的生長方式以柱狀樹枝晶為主，越靠近熔覆層頂部區(qū)域，較慢冷卻速率為二次枝晶的生長創(chuàng)造了條件，故二次枝晶組織越多。同時，熔覆層上表面的微觀組織通常是等軸的胞狀結(jié)構(gòu)，主要由初晶相和周圍的共晶網(wǎng)絡(luò)組成。從EDS分析結(jié)果可以看出，Ni主要富集于初晶相中，而Cr、Mo、W等元素主要分布在共晶相中。此外，熔覆層與基體間存在一過渡區(qū)，該區(qū)的出現(xiàn)表明熔覆層與碳鋼基體形成了良好的冶金結(jié)合[15]。

圖2   鎳基激光熔覆層截面顯微形貌

圖3   鎳基激光熔覆層微觀組織形貌

2.2 熔覆層沖刷腐蝕行為

2.2.1 電化學(xué)阻抗譜

EIS測量是分析材料電化學(xué)行為的一種非破壞性方法。圖4為試樣在穩(wěn)定開路電位下測量的Nyquist曲線。其中，圖4a是在流速為1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同沖刷角條件下的Nyquist曲線。可以看出，沖刷角為45°的條件下，熔覆層Nyquist曲線的容抗弧半徑最小，表明該條件下熔覆層的耐蝕性較其他沖刷角條件下的低。沖刷角為0°和90°兩種條件下，熔覆層Nyquist曲線的容抗弧半徑相差較小，但在90°下容抗弧半徑略小，說明該條件下熔覆層耐蝕性較差，表明流體對熔覆層表面所產(chǎn)生的正應(yīng)力對熔覆層的損傷作用更大。圖4b為熔覆層在流速為1 m/s、沖刷角為45°條件下加入SiO2固相顆粒與否的Nyquist曲線。由圖4b可知，熔覆層在含固相顆粒流體中的容抗弧半徑較小，表明由于固體顆粒對熔覆層表面附加的正應(yīng)力及剪切力進(jìn)一步惡化了腐蝕過程。

圖4   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液沖刷中的Nyquist曲線

2.2.2 動電位極化曲線分析

圖5為熔覆層在沖刷腐蝕過程中的動電位極化曲線。表2為采用Tafel外推法利用電化學(xué)測試系統(tǒng)自帶擬合軟件計算獲得的各沖刷角條件下熔覆層的自腐蝕電位 （Ecorr） 和自腐蝕電流密度 （Icorr）。其中，Ecorr表示從熱力學(xué)角度分析材料的腐蝕傾向，Icorr從動力學(xué)角度分析材料的腐蝕速率。圖5a為熔覆層在流速為1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同沖刷角條件下的動電位極化曲線。由圖5a可以看出，隨著沖刷角從0°到90°變化，熔覆層的Ecorr先變負(fù)后變正，其Icorr先增加后減小，表明熔覆層的腐蝕速率先增加后減小。在沖刷角為45°條件下，熔覆層的Ecorr最負(fù)、Icorr最大，說明耐蝕性最弱。以上現(xiàn)象與0°~45°時隨沖刷角的增加逐漸增大的正應(yīng)力與逐漸減小的切應(yīng)力的協(xié)同效應(yīng)有關(guān)。正應(yīng)力作用使熔覆層表面的變形加劇，而切應(yīng)力則促使材料表面減薄和去除，導(dǎo)致材料新的表面不斷暴露，正應(yīng)力和切應(yīng)力的協(xié)同作用導(dǎo)致以上材料破壞過程加劇。此外，從45°~90°時沖刷角的增加會導(dǎo)致正應(yīng)力的不斷增加，剪切應(yīng)力的不斷減小。熔覆層在沖刷角為0°與90°時，前者得到的Icorr大于后者，同時其腐蝕傾向也較大，說明剪切力在熔覆層損傷中占主導(dǎo)作用。該處所獲熔覆層損傷的主導(dǎo)作用力與基于Nyquist曲線分析所獲的結(jié)果相反，主要原因可能在于切應(yīng)力容易導(dǎo)致熔覆層表面產(chǎn)生溝槽而變粗糙，導(dǎo)致比表面積增大，進(jìn)而使Nyquist曲線容抗弧半徑增大。圖5b是熔覆層在沖刷角為45°、流速為1 m/s條件下在含與不含SiO2固相顆粒的NaCl溶液中的動電位極化曲線。由圖5b和表3可知，加入固體顆粒后，熔覆層的Ecorr變負(fù)、Icorr增加，表明耐腐蝕性能減小。在同一流速帶來的動力條件下，不規(guī)則固相顆粒作用于熔覆層表面時更易產(chǎn)生機(jī)械損傷。

圖5   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線

2.2.3 沖刷腐蝕形貌

熔覆層在3.5%NaCl溶液中沖刷后的形貌如圖6所示。其中，圖6a是熔覆層在沖刷角為0°時的腐蝕形貌，其表面在流體所引起的剪切力作用下形成長窄型溝壑形貌。圖6b顯示了熔覆層在沖刷角為45°時的腐蝕形貌，其特點(diǎn)是熔覆層表面出現(xiàn)凹坑且寬度大于其在沖刷角為0°時產(chǎn)生的溝槽。這是由于在沖刷角為45°時，熔覆層表面不但受到切應(yīng)力的切削作用使表面減薄，而且受到正應(yīng)力作用使減薄處發(fā)生塑性變形而產(chǎn)生凹坑。圖6c則為熔覆層在沖刷角為90°時的腐蝕形貌，其表面出現(xiàn)明顯凹坑，深度大于其在沖刷角為45°時的凹坑深度，原因在于正應(yīng)力單獨(dú)作用使熔覆層表面受到?jīng)_擊動能達(dá)到最大，因此涂層吸收能量產(chǎn)生的塑性變形程度也最大。以上分析表明，熔覆層沖刷腐蝕形貌與其表面所受流體作用力的種類直接相關(guān)。

圖6   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液中沖刷腐蝕后的微觀形貌

3 結(jié)論

（1） 熔覆層由初晶相 （富含Ni） 和周圍的共晶組織 （富集Cr、Mo、W等元素） 組成；熔覆層表面以胞狀晶為主，內(nèi)部則包含柱狀的枝晶凝固以及二次枝晶臂等微觀組織。

（2） 在沖刷角為0°，45°和90°時，由于正應(yīng)力和切應(yīng)力的協(xié)同效應(yīng)，使熔覆層在沖刷角為45°時耐蝕性最弱。沖刷腐蝕過程中，切應(yīng)力對熔覆層表面主要以產(chǎn)生溝槽的形式損傷，而正應(yīng)力則容易致使熔覆層表面塑性變形產(chǎn)生凹坑。

（3） 在流速和沖刷角不變時，加入SiO2固相顆粒時會帶來附加機(jī)械力作用，使熔覆層的耐蝕性進(jìn)一步下降。