地铁车轮熔覆涂层、界面和基体的耐腐蚀性对比研究

孙庆辉 王 溯 肖 乾 杨文斌 颜 颖 黄若辉

（1.江西瑞曼增材科技有限公司，江西 南昌 330213；2.华东交通大学机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013；3.江西制造职业技术学院机械工程学院，江西 南昌 330224）

0 引言

激光熔覆修复技术是一种利用高能激光束在基体材料表面熔覆高性能合金涂层的先进表面缺陷修复技术，在机械、交通、化工和矿山等领域的金属零部件修复方面具有重要作用[1-2]，在地铁车轮局部损伤的修复方面具有明显优势。然而激光熔覆形成的热影响区使熔覆材料的涂层、界面和基体位置的综合性能具有明显差异[3]。目前，已有学者研究了车轮表面局部激光熔覆修复涂层的滚动接触性能，但尚未研究修复涂层界面位置的腐蚀机制。地铁列车在潮湿环境中运行，界面位置典型的腐蚀机制可能会引起应力集中，在滚动接触过程中易产生裂纹，导致涂层剥落，严重影响列车行驶过程中的安全。因此，该文利用电化学试验及浸泡试验重点研究了地铁车轮表面局部激光熔覆修复涂层、界面和基体的耐腐蚀能力差异性，可为地铁列车车轮局部损伤激光熔覆修复工艺开发和修复车轮的运用、维护提供有益帮助。

1 试验部分

1.1 试样制备

采用线切割的方式从ER9 材料的地铁列车车轮踏面以下5mm 处切取激光熔覆试样。采用激光加工设备和同轴送粉、多道搭接方式制备熔覆层。激光功率为1600W，扫描速率为7.5mm/s，光斑直径为4mm，搭接率为50%，保护气体为Ar，在样品表面进行三层激光熔覆试验。激光熔覆采用的材料为Fe 基和Co 基粉末。车轮钢基体、Fe 基粉末及Co 基合金粉末的化学元素原子百分比见表1。

表1 ER9 车轮钢、Fe 基及Co 基粉末化学成分表

采用线切割机切取腐蚀试验分析试样，切取尺寸为10mm×10mm×10mm 的正方体试样，一部分用来进行盐水浸泡腐蚀试验，将另一部分正方体试样沿界面位置的冶金结合面和平行于界面的基体面切成3 份，分别对样品的涂层表面、界面位置和基体位置进行电化学腐蚀试验。电化学试验样品切割前、后照片如图1 所示，其中2 条黑线为切割线，网纹平面为电化学测试面。

图1 电化学试样切割示意图

1.2 分析方法

利用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）对涂层、界面和基体的形貌特征进行观察，同时采用扫描电子显微镜配备的能谱仪（EDS）分析涂层、界面和基体微区的元素组成。利用抛光机将试样横截面打磨抛光，浸泡于无水乙醇中，利用超声波清洗机清洗，去除油污。将样品浸泡于300mL 质量分数为3.5%的NaCl 溶液中进行腐蚀。盐水腐蚀分为8 个周期，共计30 天，每个周期结束后，采用光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）观察横截面试样涂层、界面和基体位置的腐蚀形貌，并对涂层、界面和基体微区的成分进行分析。

利用电化学工作站对不同试样进行电化学测试，工作电极分别为涂层、热影响区和基体试样，参比电极是饱和甘汞电极，辅助电极是Pt 电极。电解液采用质量分数为3.5%的NaCl 溶液。电化学阻抗谱（EIS）的测试频率为0.01Hz~105Hz，交流电信号（AC）的振幅为10mV。以0.5mV/s 的扫描速度在-0.8V~1.2V 进行动电位极化测试。需要注意的是，在阻抗和动电位极化测试之前需要静止浸泡10min，以确保开路电位稳定。

2 结果与讨论

2.1 组织结构分析

Fe 基样品利用硝酸酒精溶液腐蚀后和Co 基样品利用王水腐蚀后扫描电子显微镜下涂层和界面位置的金相组织如图2所示。由图2（a）、图2（c）可以看出，Fe 基熔覆涂层和Co 基熔覆涂层均形成了均匀的共晶组织和枝晶组织，但两者组织形貌具有明显差异，Fe 基熔覆涂层组织形貌为“胞状”，而Co 基熔覆涂层组织形貌为“蜂窝状”。可以明显看出，Co 基熔覆涂层组织更致密，有明显的共晶体骨架。由图2（b）、图2（d）可以看出，Fe 基和Co 基熔覆涂层均存在明显的界面现象，Fe基和Co 基熔覆涂层靠近界面位置的组织结构比涂层远离界面的位置更疏松。

图2 Fe 基、Co 基熔覆试样涂层及界面位置的金相组织

2.2 耐腐蚀性能测试分析

2.2.1 电化学测试分析

Fe 基和Co 基激光熔覆试样涂层、热影响区及基体在质量分数为3.5%的NaCl 溶液中的动电位极化曲线如图3 所示，Fe 基和Co 基激光熔覆试样涂层、热影响区及基体极化曲线拟合结果见表2、表3。

图3 Fe 基、Co 基熔覆试样动电位极化曲线

表2 Fe 基试样极化曲线拟合结果

表3 Co 基试样极化曲线拟合结果

拟合结果是采用Tafel 外推法并通过极化曲线得到的结果，由此表征2 种样品涂层表面、界面和基体位置的腐蚀性能，并根据公式（1）计算得出极化电阻Rp的数值。

式中：βa为阴极极化斜率；βc为阳极极化斜率；Icorr为腐蚀电流密度。

一般具有较高的自腐蚀电位（Ecorr）和较低的自腐蚀电流密度（Icorr）的材料拥有更好的耐腐蚀性。从图3（a）及表3 可以看出，涂层、界面热影响区和基体的Ecorr分别为-0.38V、-0.64V 和-0.71V，说明Fe 基熔覆试样涂层耐腐蚀性最好，界面热影响区次之，基体的耐腐蚀性最差。并且可以看出涂层出现了明显的钝化现象，表明在质量分数为3.5%的NaCl 溶液的腐蚀过程中，激光熔覆Fe 基局部修复涂层生成了钝化膜[4]。从表3 可以看出，Fe 基试样涂层、界面热影响区和基体的Icorr分别为（5.47×10-7）A/cm2、（1.37×10-6）A/cm2和（1.66×10-6）A/cm2，说明样品涂层表面位置腐蚀速率最慢，基体位置的腐蚀速率最快。极化电阻大分别为（1.16×104）Ω、（5.31×103）Ω 和（3.40×103）Ω，根据法拉第-欧姆定律[5]，电化学腐蚀速率与极化电阻大小成反比，也说明Fe 基试样涂层腐蚀速率最慢，基体腐蚀速率最快，界面热影响区腐蚀速率介于Fe 基试样涂层与基体之间，这与Icorr数据得到的结论一致。对图3（b）及表3 的分析可知，Co 基样品动电位极化曲线涂层、界面和基体位置的Ecorr分别为-0.36V、-0.63V 和-0.72V，说明Co 基样品涂层位置的耐腐蚀性最好，界面位置次之，基体的耐腐蚀性最差并且Co 基试样涂层耐蚀性优于Fe 基试样涂层的耐腐蚀性。涂层、界面和腐基体位置的Icorr分别为（2.95×10-7）A/cm2、（1.18×10-6）A/cm2和（-1.66×10-6）A/cm2，说明在Co 基熔覆试样中，样品涂层表面位置腐蚀速率最慢，基体位置的腐蚀速率最快，且Co 基试样涂层腐蚀速率比Fe 基试样涂层更慢，Co 基试样界面位置腐蚀速率也略慢于Fe 基试样涂层。涂层、界面和基体位置的极化电阻大小分别为（4.07×104）Ω、（8.28×103）Ω 和（3.40×103）Ω。由于电化学腐蚀速率与极化电阻大小成反比，说明Co 基试样涂层腐蚀速率最慢，热影响区位置腐蚀速率略慢于基体位置。综上所述，随着腐蚀位置从基体到界面，从界面到涂层表面，合金的耐腐蚀性逐渐增强，腐蚀速率逐渐下降。Co 基试样涂层位置腐蚀速率比Fe 基试样涂层位置腐蚀速率慢并且Co 基试样界面位置腐蚀速率比Fe 基试样界面位置腐蚀速率慢。

2.2.2 腐蚀表面形貌分析

Fe 基、Co 基熔覆试样断面处浸泡腐蚀后的光学照片如图4 所示。

图4 Fe 基、Co 基试样断面腐蚀后光学照片

从图4（a）~图4（d）可以看出，Fe 基试样浸泡1天后，界面靠近基体一侧因腐蚀而失去了金属光泽，靠近涂层一侧局部出现了黄褐色锈层，但整体仍保持较好的金属光泽，基体部分已经严重腐蚀。随着浸泡时间的延长，浸泡8 天后，靠近基体一侧颜色变得暗淡，已经基本失去金属光泽，靠近涂层一侧也出现了较严重的点状腐蚀并且腐蚀区域范围向涂层方向延伸，冶金结合面靠近涂层一侧出现了更多的点蚀情况。浸泡30 天后，靠近界面的涂层一侧点状腐蚀更严重。从图4（e）~图4（h）可以看出，Co 基试样在浸泡1 天后，靠近界面的涂层未发现明显腐蚀现象，而靠近界面的基体一侧颜色同样变得暗淡，失去了金属光泽。浸泡腐蚀第8 天后，靠近界面的涂层表面才出现少许点状腐蚀，同时有少许腐蚀现象从基体延伸至涂层，而基体位置颜色变得更暗淡，几乎失去金属光泽。浸泡腐蚀进行到第30 天，基体表面完全腐蚀，呈现为深黑色，界面位置腐蚀区域继续向涂层方向扩张并且出现了更深、更密集的腐蚀坑，靠近界面的涂层出现均匀分布的面腐蚀而非点状腐蚀。分析其原因，可能是熔覆过程中基体元素进入Fe 基试样涂层后分布不均匀，Fe 元素富集处首先出现了腐蚀，形成了点状腐蚀。而Co 基试样涂层在熔覆过程中稀释率较低，基体元素进入基体少且分布均匀，因此Co 基试样涂层在界面附近呈现均匀的面腐蚀。由此可见，Co 基修复试样界面位置靠近涂层一侧比Fe 基修复试样具有更好的耐腐蚀性能，2 种试样基体位置和热影响区位置均可在短时间内被盐水完全腐蚀，涂层远离界面位置均难以在盐水浸泡后出现明显腐蚀现象。这与电化学腐蚀试验得出的结论相符。

3 结论

该文利用激光熔覆技术在ER9 地铁车轮试样局部制备了Fe 基和Co 基合金修复涂层，利用质量分数为3.5%的NaCl 溶液浸泡和电化学腐蚀试验研究了激光熔覆样品涂层、界面和基体位置的腐蚀机理。通过动电位极化曲线和阻抗谱测试分析，局部修复涂层不同区域的耐蚀性由强到弱依次为涂层、界面热影响区和基体并且Co 基激光熔覆修复涂层耐蚀性优于Fe 基激光熔覆修复涂层，Co 基试样界面热影响区位置耐蚀性优于Fe 基试样界面热影响区位置。通过NaCl 溶液浸泡试验发现，由于激光熔覆过程中基体对涂层的有稀释作用并且基体元素在涂层内分布不均匀，因此Fe 基试样涂层在靠近基体的位置易出现严重的点状腐蚀。Co 基试样涂层靠近基体的位置同样易出现腐蚀，但趋向于局部的面腐蚀。涂层远离基体的位置很难被腐蚀，界面及基体则在短时间内就被全面腐蚀。