通过低温循环处理制备的Fe基非晶涂层的结构性能、机械性能以及摩擦腐蚀性能

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Structural, mechanical and tribocorrosion performances of Fe-based amorphous coating via cryogenic cycling treatment

　　

王蒙|李旭强|李文胜|程波|张新健|翟海民

中国兰州工业大学材料科学与工程学院，有色金属深加工与回收国家重点实验室，兰州 730050

摘要

本研究探讨了低温循环处理（CCT）对铁基非晶涂层（AMCs）微观结构和性能的影响。涂层分别经历了0次、15次、30次和50次的CCT循环处理，系统地对其相结构、力学/热行为、电化学腐蚀性能和摩擦腐蚀性能进行了表征。结果表明，CCT促进了结构的恢复，并引入了热应力，导致结构异质性增加和自由体积增大，但未改变非晶相。这种结构变化提高了塑性。具体来说，经过CCT-50处理的涂层具有显著提高的耐磨性，其摩擦腐蚀磨损体积比喷涂后涂层减少了2.42倍。在电化学测试中，CCT-15涂层表现出最佳的耐腐蚀性（Ecorr = ?536 mV, icorr = 2.102 × 10?? A·cm?2），这归因于形成了保护性的钝化膜（MoO?/Cr?O?）。主要的失效机制是腐蚀加速磨损。综上所述，通过有针对性的结构恢复和表面钝化，CCT有效地改善了铁基AMCs的力学性能、耐腐蚀性和摩擦耐腐蚀性。

引言

非晶合金是一种固体材料，其液态原子在熔融合金快速冷却过程中被“冻结”成类似液态的结构。它们独特的原子排列赋予了它们独特的力学、热力学和电化学性能[[1], [2], [3]]。值得注意的是，铁基非晶合金由于其出色的玻璃形成能力、良好的软磁性能、高硬度和相对较低的成本而受到了广泛关注[4]。然而，块状铁基非晶合金固有的脆性和尺寸限制严重限制了其大规模应用。将这些合金制成涂层可以在亚微米尺度上大大减轻脆性问题[5]。目前，许多研究集中在热喷涂铁基非晶涂层（AMCs）的结构和性能上，包括其沉积行为[6]、结构特性[7]、力学特性[8]、摩擦学性能[9]和电化学腐蚀性能[10]。特别是，热喷涂技术可以实现铁基AMCs在复杂几何形状基底上的大面积沉积。该技术在石油化工、热电生产和核废料管理等苛刻工业环境中的有效表面保护方面表现出色，同时保持了非晶结构所需的耐磨性、耐腐蚀性和磁性。例如，在相同的载荷和滑动速度条件下，铁基非晶涂层的磨损率比AZ31B基底低两个数量级[11]。在3.5 wt.% NaCl溶液中，其腐蚀电流密度仅为AZ31B的1/20，而其阻抗模量值高达AZ31B的70倍，表明了其优异的耐腐蚀性[12]。

鉴于铁基AMCs具有显著的应用潜力，人们逐步采取了性能优化措施，包括喷涂参数优化[13]、中间层设计[14]和热处理。这些战略性的改进显著提升了涂层的关键性能指标。尽管与块状材料相比，室温下的脆性问题有所改善，但它仍然是影响铁基AMCs力学性能的不利因素。因此，优化非晶合金的内在性能有望大大提升这些涂层的服务性能。“恢复”处理可以在非晶合金中引入额外的自由体积，并在施加应力时增加剪切带的密度，从而显著提高塑性和韧性。常见的恢复方法包括高压扭转（HPT）[15]、焓松弛[16]、玻璃转变温度（Tg）附近的退火[17]和低温循环处理（CCT）[18,19]。其中，CCT通过将材料从室温循环到液氮温度，有效避免了工件的大变形和高温氧化问题，非常适合用于非晶涂层的性能优化。Ji等人[20]发现，在20 N空气载荷下，CCT处理使铁基AMCs的摩擦系数（COF）降低了12.7%（从0.845降至0.738），同时磨损率显著降低了30%，证明了其在提高耐磨性方面的有效性。总体而言，CCT引起的铁基非晶涂层的脆性-韧性转变行为以及硬度的均匀分布使得H/E、H3/E2指数和塑性功Wp较高，有效防止了剪切带或裂纹的快速扩展，从而在裂纹尖端耗散了应变能[23]。

鉴于铁基AMCs具有全面的优越性能，包括耐磨性和耐腐蚀性，研究恢复处理对其耐腐蚀性的影响机制同样重要。赵等人[21]证明，CCT有效增强了锆基金属玻璃的块体耐腐蚀性，这归因于通过结构松弛消除了自由体积缺陷。相比之下，顾等人[22]观察到Ti基块体金属玻璃在CCT后耐腐蚀性明显恶化，表明恢复效果因材料而异。显然，恢复处理对铁基AMCs的腐蚀行为的影响和机制需要进一步的详细分析。特别是在复杂环境中，摩擦和腐蚀不会独立发生；它们的协同效应可能会加剧材料体积损失。因此，探索恢复处理对铁基AMCs的耐磨-耐腐蚀性能的影响将为它们的工程应用提供宝贵的理论参考。

本研究系统地考察了经受不同CCT循环处理的爆炸喷涂铁基AMCs的相结构、热性能、耐腐蚀性和耐磨腐蚀性能。它将建立CCT循环次数与腐蚀和摩擦腐蚀行为之间的定量关联，并探讨了摩擦和腐蚀机制之间的协同关系。这项研究对于铁基AMCs作为耐腐蚀和耐磨材料的应用具有重要的指导意义。

章节摘录

涂层制备

使用爆炸喷涂系统（ADM-4D）将铁基非晶材料沉积在Mg合金基底（AZ31B，200 × 200 × 8 mm）上。铁基非晶材料的成分如下：Cr（26 ± 1 wt.%）、Mo（17 ± 1 wt.%）、C（2.25 ± 0.25 wt.%）、B（2.1 ± 0.1 wt.%），其余为Fe。喷涂前，基底表面用丙酮和酒精清洗并进行喷砂处理以增强涂层与基底的附着力。详细的喷涂参数列于表1中。

CCT过程如图所示

铁基非晶粉末和铁基AMCs的特性

SEM显微图（图2a）显示非晶粉末颗粒主要为近球形，表面光滑，表明其流动性良好。粒径分布（图2b）证实颗粒大小主要在20–55 μm之间。XRD图谱（图2c）显示出典型的宽泛扩散峰，证实了非晶结构特性。图3展示了经过不同CCT循环处理后的铁基非晶涂层的XRD图谱。所有涂层均表现出特征性的扩散峰

局部腐蚀机制

涂层极化后的腐蚀截面显示，点蚀主要发生在钝化膜的薄弱点，如微裂纹和孔洞处，这些位置成为Cl?离子优先攻击的局部腐蚀起始点。显然，经过15次热循环后，涂层的蚀坑尺寸减小，体积损失最小，表明其耐腐蚀性持续优异。相反，经过50次循环后，腐蚀坑蚀坑的

结论

本研究探讨了铁基AMCs的低温循环处理（CCT）对其相结构、力学性能、热性能、耐腐蚀性和摩擦腐蚀性能的影响。主要结论如下：

(1) CCT处理没有显著改变爆炸喷涂铁基AMCs的非晶相结构或宏观形态（孔隙率、界面完整性）。然而，它有效促进了结构的恢复

原创性声明

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CRediT作者贡献声明

王蒙：写作——原始草稿、研究、数据整理。李旭强：研究、数据整理。李文胜：资源准备、项目管理。程波：方法学、数据分析。张新健：研究、数据整理。翟海民：写作——审稿与编辑、研究、概念化。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作无关任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（W2412069; 52265024）以及“111”项目（D21032）的支持。