外载荷和腐蚀耦合作用下非晶涂层性能研究①

王 勇 李柯远 孙振旭 张旭昀 毕凤琴

(1.东北石油大学机械科学与工程学院；2.中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

外载荷和腐蚀耦合作用下非晶涂层性能研究①

王 勇1李柯远1孙振旭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.中国石油集团长城钻探工程有限公司工程技术研究院)

概述了磨损、拉伸等纯外载荷、外载荷和腐蚀耦合作用对非晶涂层性能的影响，为进一步开展非晶涂层在外力和腐蚀相互作用下的研究提供思路和参考。

非晶涂层 外载荷 腐蚀 耦合作用

非晶合金是一种经过极高冷却速度获得的新型金属材料，其结构与液态金属相似。非晶合金原子在空间排列上不呈对称性和周期性，即没有长程有序，在结构上无位错、晶界等缺陷，因此具有优于相应晶体材料的物理、化学和力学性质。1967年，Duwez P和Lin S C H开发了第1个Fe-P-C系非晶软磁合金[1]。2003年，Ponnambalam V等研究开发出一种非铁磁性、高硬度的非晶钢[2]。2005年，Shen J等成功制备出了直径为16mm的无磁性非晶钢(FeCoCrMoCBY)[3]。由于铁基非晶合金具有强度高、硬度高、耐腐蚀性强、玻璃形成能力优异、价格低廉及制备工艺简单等特点，有望成为一种新型工程材料[4]。

虽然铁基非晶合金性能优异，可以作为耐磨耐蚀材料，但其韧性、塑性较差，制约了其应用发展[5]。近年来，随着活性燃烧高速燃气喷涂(Activated Combustion High Velocity Air Fuel,AC-HVAF)技术的发展，利用该技术可以获得高致密度、低氧化物含量的高质量铁基非晶合金涂层[6]，成为非晶涂层走向工业化应用领域的突破口之一。为此，国内外研究学者相继开展了对铁基非晶合金涂层的研究工作。Farmer J等研究开发了SAM2X5和SAM1651两种新型铁基非晶合金，运用超音速火焰喷涂技术将它们制备成了具有优异耐磨耐蚀性能的非晶涂层，并已成功应用于国家国防舰艇防护、核电核废料储存等领域[7]。我国研究学者在铁基非晶涂层制备[8]、耐磨性[9]、耐高温氧化性[10]、耐冲蚀性[6]及耐腐蚀性[11～13]等方面也进行了广泛研究。非晶涂层在腐蚀、摩擦、磨损等严苛环境中展现出了优异的性能，为材料腐蚀防护研究提供了崭新的方向。

实际应用过程中发现，载荷和腐蚀是非晶涂层不可避免并导致失效的关键影响因素。一直以来，研究学者们普遍关注的是非晶涂层在纯载荷或纯腐蚀条件下的性能特征，而忽略了在载荷和腐蚀耦合环境中的服役行为。因此，随着新型AC-HVAF技术的发展，深入探讨外载荷和腐蚀作用下非晶涂层的性能特征，是扩展非晶涂层应用领域的关键。在此，笔者对外载荷、外载荷和腐蚀耦合作用对非晶涂层性能特征的影响规律进行了研究，为非晶涂层在载荷和腐蚀环境中的应用提供理论基础。

1 外载荷对非晶涂层性能的影响

非晶涂层在工业应用过程中不可避免地会受到摩擦磨损、拉伸、冲击及疲劳等外部载荷作用。摩擦磨损是非晶涂层失效的一种主要形式，常见的摩擦磨损有磨粒磨损和疲劳磨损两种形式。赵国强和张松对铁基非晶涂层进行了摩擦磨损实验，结果显示非晶涂层在摩擦磨损过程中摩擦表面会发生表面硬化，表面硬化会降低涂层耐磨性，进而破坏非晶涂层性能[14]。由Archard定理可知，提高硬度会使材料磨损体积减小，进而提高涂层的耐磨性[15]。因此，非晶涂层的高硬度是使之具备优异耐磨性的先决条件。

非晶涂层作为一种高强度亚稳态材料，在使用过程中还会承受拉伸载荷，严重时会导致断裂。传统晶体材料的断裂准则不完全符合非晶材料的断裂行为。目前，研究者们对非晶合金涂层的拉伸断裂研究表明，拉伸断裂主要有两个特征：拉伸剪切断裂和拉伸正断，两者均符合“椭圆准则”[16]。另外，非晶合金模量和极限强度随着尺寸的增加而增大，因此破坏仅来自局部颈缩[17]，并且空位的微小长大对断裂行为没有太大影响。

实际上，在工业应用环境中，非晶涂层不仅承受单纯的外载荷作用，还会受到外载荷与腐蚀的联合作用，如在腐蚀介质中的磨损、腐蚀介质中的拉伸。腐蚀介质的存在使得在外载荷作用时非晶合金性能变得极不稳定，因此，研究外载荷与腐蚀耦合作用对非晶涂层性能的影响规律至关重要。

2 外载荷和腐蚀耦合作用对非晶涂层性能的影响

非晶涂层在腐蚀介质中的磨损行为不同于纯磨损，材料在腐蚀介质中受到小而松散的流动粒子冲击，在表面会出现磨损破坏，即冲刷腐蚀(简称冲蚀)。Wang Y等[6,13，18]进行了冲蚀实验，结果表明在NaCl介质中，非晶涂层冲蚀损害与Cl-浓度之间存在一定的相关性，Cl-的腐蚀作用增加了冲蚀程度，加剧了材料的冲蚀失重。在力学冲刷作用下，非晶涂层表面钝化膜稳定性不高，钝化膜发生减薄甚至破裂，此时在冲刷和腐蚀强烈交互作用下将加速非晶涂层的腐蚀。

在腐蚀性介质中非晶涂层还会承受外部拉应力作用，容易引发应力腐蚀开裂(承受应力的材料在腐蚀性环境中由于裂纹扩展而发生失效的一种现象)。文献[19～22]进行了大量的不锈钢应力腐蚀实验，结果表明随着应变速率的不断增大，应力腐蚀敏感性先增大后减小；应力腐蚀是从材料表面钝化膜破坏发生点蚀开始，逐步在裂纹源扩展，最终导致不锈钢应力腐蚀断裂；随着外载荷的不断增大、Cl-浓度的不断升高，应力腐蚀时间越短，耐腐蚀性越差。但铁基非晶涂层具有更稳定的钝化膜，而且自身结构无缺陷，氢渗透行为的差异性大，因此在应力腐蚀机理方面，可能呈现出与不锈钢截然不同的失效行为。非晶合金在低温范围内主要发生剪切塑性变形，容易沿单一剪切带直接发生脆性断裂，在拉伸载荷和压缩载荷作用下，剪切断裂面与外加载荷轴的夹角不一致，不服从“屈特加准则”[23]。目前，对于非晶合金应力腐蚀机理的研究并不全面[24]，相关作用机制仍然需要更加深入和全面的了解。

3 结束语

近年来，研究学者们对铁基非晶涂层的制备和性能进行了广泛的实验研究，并取得了较大的进展。但目前非晶涂层在多因素耦合环境中的服役行为还不明朗，在理论和实际应用中还存在一些基本科学问题，特别是对非晶在力学和腐蚀共同作用下的失效行为的理解并不全面。因此，研究铁基非晶在外载荷和腐蚀共同作用下的性能，推进非晶涂层的进一步实际应用，是促使铁基非晶涂层快速成熟应用的一个必要条件。

[1] Duwez P,Lin S C H.Amorphous Ferromagnetic Phase in Iron-Carbon-Phosphorus Alloys[J].Journal of Applied Physics,1967,38(10):4096～4097.

[2] Ponnambalam V,Poon S J,Shiflet G J,et al.Synthesis of Iron-based Bulk Metallic Glasses as Nonferromagnetic Amorphous Steel Alloys[J].Applied Physics Letters,2003,83(6):1131～1133.

[3] Shen J,Chen Q,Sun J,et al.Exceptionally High Glass-forming Ability of an FeCoCrMoCBY Alloy[J].Applied Physics Letters,2005,86(15):279.

[4] 傅斌友,贺定勇,赵力东,等.WC含量对铁基涂层非晶形成能力及其性能影响[J].中国表面工程,2008,21(6):23～26.

[5] 王勇,郑玉贵,王建强,等.铁基非晶涂层在NaCl和H2SO4溶液中的钝化行为研究[J].金属学报,2015,51(1):49～56.

[6] Wang Y,Xing Z Z,Luo Q,et al.Corrosion and Erosion-corrosion Behaviour of Activated Combustion High-velocity Air Fuel Sprayed Fe-based Amorphous Coatings in Chloride-containing Solutions[J].Corrosion Science,2015,98(9):339～353.

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[21] 李岩,方可伟,刘飞华.Cl-对304L不锈钢从点蚀到应力腐蚀转变行为的影响[J].腐蚀与防护,2012,11(33):955～959.

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[24] 王勇,李洋,吕妍,等.应力作用下铁基非晶涂层腐蚀性能影响的研究综述[J].化工机械,2016,43(3):284～286.

PropertyStudyofAmorphousMetallicCoatingsunderCouplingofExternalLoadandCorrosion

WANG Yong1,LI Ke-yuan1,SUN Zhen-xu2,ZHANG Xu-yun1,BI Feng-qin1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity;2.EngineeringandTechnologyResearchInstitute,CNPCGreatWallDrillingCompanyLimited)

The influences of abrasion and the tensile fracture on the property of amorphous coatings were summarized,including the external load’s influence and that of the coupling of external load and corrosion.This research provides both train of thought and references for further investigation of the amorphous coatings applied under the coupling of applied loads and corrosion.

amorphous coating,external load,corrosion,coupling

国家自然科学基金项目(51401051)。

王勇(1979-)，副教授，从事材料腐蚀与防护的研究。

联系人张旭昀(1973-)，教授，从事材料科学与计算的教学和科研工作，zhydqpi@sina.com。

TQ138.1

A

0254-6094(2017)04-0394-03

2016-11-09，

2016-12-05)

(Continued from Page 385)

and regulations,the security system construction and safety management,the complete procurement management process for pressure vessels and the control elements thereof was proposed.

Keywordspressure vessel,procurement management process,procurement process control