镁合金表面爆炸喷涂Fe基非晶涂层性能研究

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Fe基非晶合金因其独特的原子排列结构(长程无序,短程有序),具有高的硬度和强度、良好的耐磨耐腐蚀性能以及相对较低的材料成本等综合性能,在表面工程领域得到了广泛的应用。本文以商用Fe Cr Mo CB非晶粉末作为喷涂材料,利用爆炸喷涂技术在AZ31B镁合金基体表面制备了无中间层的Fe基非晶涂层。利用X射线衍射仪(XRD)、附带有能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、差示扫描量热仪(DSC)分析涂层的微观结构和相组成,维氏显微硬度计测试涂层的截面显微硬度,X射线光电子能谱仪(XPS)、摩擦磨损试验机以及电化学工作站等测试涂层的摩擦磨损性能以及电化学腐蚀性能,并分析其磨损和腐蚀机理。对涂层的微观结构研究结果表明:涂层结构致密,组织均匀,呈现典型的热喷涂涂层层状组织结构,孔隙率较低,约为1%;涂层与基体结合良好,XRD衍射结果呈现典型的非晶态“馒头峰”,TEM下选区电子衍射模式呈现漫散的晕环,表明涂层很好的保留了原始粉末的非晶相结构。通过软件计算爆炸喷涂制备的Fe基非晶涂层的非晶相含量约为89.3±2%,明显高于其它热喷涂技术制备的Fe基非晶涂层;DSC结果表明涂层具有良好的热稳定性,初始晶化温度约为612℃;涂层显微硬度较高(825±15Hv)约为AZ31B镁合金基体(76±5 Hv)的11倍,与镁合金表面不锈钢涂层相比,Fe基非晶涂层也具有极高的显微硬度,几乎为不锈钢涂层(~400 Hv)的两倍。通过对Fe基非晶涂层和镁合金基体进行干滑动磨损试验,结果表明:在0.25 m/s和5 N摩擦条件下,涂层比基体具有更稳定的摩擦系数,且涂层的磨损率(3.51×10-6mm3 N-1 m-1)比基体(6.67×10-4 mm3 N-1 m-1)低近两个数量级,涂层的磨损机理主要包括疲劳磨损、氧化磨损和轻微的粘着磨损,而AZ31B基体主要表现为氧化磨损和磨粒磨损。随着滑动速度和载荷逐渐增大,尽管涂层的磨痕宽度从413μm(2 N,0.1 m/s)增至1260μm(8 N,0.5 m/s),磨损率由3.14×10-6 mm3 N-1 m-1增至11.5×10-6 mm3 N-1m-1,但其磨损率仍然低于大多数其它热喷涂技术制备的Fe基非晶涂层。此外,与镁合金表面其它金属涂层或高熵合金涂层相比,Fe基非晶涂层仍能保持相对较低的磨损率,使其能够在工程应用中可靠且稳定的服役。涂层的磨损机理由低速和低载荷下的氧化磨损并伴随有轻微的粘着磨损和疲劳磨损转变为较高载荷和较高滑动速度下的分层磨损并伴随有氧化磨损和疲劳磨损。这种优异的耐磨损性能主要归因于爆炸喷涂制备的Fe基非晶涂层孔隙率极低,且具有超高的非晶相含量,这抑制了涂层在干滑动磨损过程中产生的裂纹扩展并发生剥落。通过对Fe基非晶涂层和AZ31B镁合金基体在3.5%Na Cl溶液中极化曲线和交流阻抗谱的分析结果表明:涂层具有极宽的钝化区和极低的腐蚀电流密度,其腐蚀电流密度(5.36±3μA/cm2)仅为基体(99.02±12μA/cm2)的1/20,与镁合金表面的其它热喷涂涂层和金属涂层相比,爆炸喷涂制备的Fe基非晶涂层表现出相对较低的腐蚀电流密度和相对较高的腐蚀电位,表明其耐腐蚀性优于大多数其它表面涂层。腐蚀形貌表面仅观察到少量的点蚀坑,说明Fe基非晶涂层能很好的抵抗Cl-的侵入,表明其具有良好的抗点蚀能力。此外,涂层的阻抗模值|Z|约为基体的70倍,进一步表明涂层具有优异的耐腐蚀性能。Fe基非晶涂层几乎无晶界、位错等晶体缺陷,在腐蚀介质中可以形成均匀的钝化膜,不存在点蚀引发的敏感部位。同时,非晶涂层的化学成分也有助于提高其耐蚀性,引入Cr元素有助于钝化膜的形成,有效抑制了非晶相的溶解,因此提高了耐腐蚀性能,为镁合金在结构或功能应用中提供了良好的腐蚀防护。
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