《Surface and Coatings Technology》：Service performance and failure mechanism of Inconel 625-n/m Al
2O
3 non-skid coatings prepared by plasma enhanced high-velocity arc spraying
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本研究采用新型等离子体增强高速电弧喷涂（PE-HAS）技术制备Inconel 625-25%纳米/微米Al?O?复合涂层，评估其质量均匀性、防滑性能及抗冲击性能。结果表明，复合涂层在模拟不同环境（干燥、海水湿润、油污）下静摩擦系数均高于1，且在21.2 J冲击能量下抗冲击性能优于合金涂层，主要归因于纳米Al?O?的裂纹偏转机制和微米Al?O?的能量耗散协同效应。该研究为海洋工程设备防滑涂层工程应用提供了理论支撑。
刘云帆|马国正|朱琳娜|卢阳|杨晨光|赵海超|刘明|戴永娟|王海斗
中国人民解放军陆军装备大学国家再制造工程技术研究中心，北京，100072，中国
摘要
为了满足大型海上平台对甲板表面防滑涂层质量和性能的要求，我们评估了一种采用新型等离子增强高速电弧喷涂（PE-HAS）方法制备的Inconel 625–25%纳米/微米（n/m）Al?O?复合涂层的质量均匀性、防滑性能和抗冲击性。同时，我们还阐明了性能下降的机制。结果表明，合金涂层和复合涂层均表现出优异的微观结构均匀性和一致的机械性能。平均孔隙率低于2.5%，平均结合强度超过60 MPa。值得注意的是，大部分n/m Al?O?颗粒熔化良好且分布均匀。该复合涂层在模拟的干燥、海水润湿和油润湿条件下表现出较高的静态摩擦系数，这得益于n-Al?O?的增强效应和粗粒m-Al?O?的摩擦增强效应。平均静态摩擦系数高于1。在21.2 J的冲击能量下，复合涂层的抗冲击性优于合金涂层。这种性能主要归因于m-Al?O?颗粒的裂纹偏转作用与n-Al?O?富集区内部微裂纹的能量耗散作用之间的协同效应。裂纹在喷射颗粒边界、相界和变形过渡区的连续扩展是涂层冲击表面局部剥落的主要原因。本研究为海洋工程设备表面高性能防滑涂层的工程应用提供了重要的理论支持。
引言
作为一种关键的表面工程技术，热喷涂金属/陶瓷复合涂层显著提高了海洋工程设备（如海上平台、大型船舶和钻井机械）的服务可靠性和安全性[1]，[2]。这些涂层必须具备长期抵抗海洋大气腐蚀、耐磨性和高结合强度等基本性能。对于特定应用（例如大型海上平台的甲板），它们还必须提供优异的防滑性能，以确保人员和设备的安全，并在外部载荷下保持结构完整性[3]，[4]。目前，基于Ni基、Fe基和Al基合金的复合防滑涂层系统，通过添加Al?O?、WC、Cr?C?等增强材料，被广泛应用于各种海上平台的甲板表面[5]，[6]，[7]，[8]。然而，恶劣的服务条件常常会导致多种失效行为，包括严重的表面磨损、内部界面脱粘、宏观剥落以及腐蚀介质的渗透，严重限制了海洋工程设备的长期安全运行。
现有的金属/陶瓷复合防滑涂层系统具有优异的耐磨性、抗冲击性和耐高温性；然而，其较低的表面粗糙度往往导致防滑性能不足[9]。研究表明，增大陶瓷增强颗粒的尺寸可以有效提高摩擦系数[10]，[11]。然而，较大的陶瓷颗粒会在喷涂过程中降低熔化程度，降低沉积效率，并增加固有缺陷，如结合界面弱化、颗粒重叠不良、裂纹和较高的孔隙率，从而最终影响涂层的机械性能和整体服务性能[12]，[13]，[14]。此外，包括双丝电弧喷涂（TWAS）、超音速大气等离子喷涂（SAPS）和高速氧燃料喷涂（HVOF）在内的传统热喷涂技术难以通过简单的参数优化实现高沉积效率、低氧化和致密涂层结构之间的最佳平衡[15]，[16]，[17]。
大型海上平台对防滑涂层的制备效率和成型质量提出了更高的要求。因此，提高金属/陶瓷复合涂层的沉积效率、微观结构质量和整体性能已成为海洋工程设备表面改性的关键研究方向。某研究团队[18]开发了涂覆有n/m Al?O?的复合粉末，显著提高了陶瓷相的沉积效率。他们证明，多尺度粉末策略能够在不降低表面摩擦系数的情况下有效改善涂层的致密性、机械性能和耐磨性。Prashar等人[19]，[20]通过利用高含量n/m Al?O?的协同增强效应，进一步降低了等离子喷涂Inconel 625基复合涂层的孔隙率。n-Al?O?的团聚结构提高了涂层的显微硬度和断裂韧性，从而增强了耐磨性和耐高温性能。近年来，我们的研究小组基于喷涂技术的创新开发了一种PE-HAS技术[21]。该技术结合了TWAS和SAPS的原理，通过将金属丝和陶瓷粉末送入耦合电弧射流的不同部分，实现了异质材料的同步高效熔化和沉积，从而制备出高质量的复合涂层[22]，[23]。早期研究表明，PE-HAS技术在大面积海上平台甲板表面改性方面具有高沉积效率[24]。实验室对比研究考察了不同Al?O?增强材料对Ni基涂层质量和性能的影响，发现25 wt% n-Al?O?涂层的m-Al?O?复合粉末设计是最优的[25]，[26]。然而，实验室规模的工艺探索和性能测试存在局限性，阻碍了对关键结论的闭环验证，特别是在两个方面：（1）工艺和材料优化过程中获得的涂层尺寸与工程要求存在显著差异。在大面积涂层制备过程中，可能会出现射流不稳定和局部热应力积累等问题，导致涂层均匀性降低和质量不一致[27]。因此，针对大型样品进行专门的工艺优化和均匀性评估是必要的。（2）现有实验室测试中的载荷类型、运动模式和环境条件与实际服役条件不同，难以准确反映涂层的关键服务性能，特别是动态防滑性能和抗冲击性[28]。因此，需要建立一个能够模拟实际运行条件的服务性能评估框架，同时兼顾实验可行性和成本。
本研究旨在确定一种喷涂工艺路线和服务性能评估方案，系统比较典型Inconel 625涂层和优化后的Inconel 625–25% n/m Al?O?复合涂层在不同模拟服役条件下的表面防滑性能和抗冲击性。研究阐明了性能下降的潜在机制，并评估了PE-HAS制备复合涂层在海洋工程中的工程应用前景。
喷涂材料
PE-HAS技术结合了准轴丝材送进和中心粉末送进方式，使金属和陶瓷材料分别以丝材和粉末的形式送入射流的不同部分，实现同步熔化。在本研究中，我们选择了直径为1.6 mm的Inconel 625实心丝材（图1(a)）和25% n-Al?O?涂层的m-Al?O?复合粉末（图1(b)）作为原料。
PE-HAS涂层的结构均匀性
图6展示了Inconel 625合金涂层（PE-HAS-1）和Inconel 625–25% n/m Al?O?复合涂层（PE-HAS-2）的横截面形态。两种涂层都表现出少量的微裂纹和孔隙，Ni、Cr、Mo和Al元素分布均匀（图6(a)）。此外，图6(b)显示PE-HAS-2中的大部分Al?O?具有扁平的形态，部分区域存在n-Al?O?富集，有效减少了由于结合力弱引起的微观结构缺陷。
结论
为了验证PE-HAS防滑涂层的工程应用前景，本研究比较了两种代表性涂层系统的微观结构、机械性能、表面防滑性能和抗冲击性：Inconel 625合金涂层和Inconel 625–25% n/m Al?O?复合涂层。同时，研究了PE-HAS涂层在各种模拟服役条件下的性能失效机制。主要结论如下：
(1)质量
CRediT作者贡献声明
刘云帆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，验证，方法学研究，数据分析，概念构思。马国正：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，项目管理，资金获取，概念构思。朱琳娜：撰写 – 审稿与编辑，资源协调，方法学研究。卢阳：验证，数据分析。杨晨光：方法学研究，数据分析。赵海超：撰写 – 审稿与编辑，资源协调。刘明：
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52575255）、天津市自然科学基金科技计划（22JCYBJC01660）、天津市教委重点研究项目（2022ZD028）和173项目的支持。
