微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的腐蚀磨损行为研究

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超音速火焰喷涂制备的Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层以其较低的孔隙率,良好的耐磨、耐腐蚀性能被广泛用作耐腐蚀磨损的防护涂层。本文针对于常规微米结构涂层孔隙率较高,显微硬度、结合强度较低和纳米结构涂层在喷涂过程中易发生团聚与脱碳现象等常见问题,创新性地提出了微/纳结构Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层的设计制备和腐蚀磨损行为研究,研究了微/纳结构喷涂喂料及涂层的制备方法,探究了不同纳米Cr3C2晶粒含量制备的微/纳结构涂层在不同载荷与介质下的腐蚀磨损行为,以期为发展耐蚀/耐磨损性能更佳的Cr3C2-NiCr金属陶瓷涂层提供理论数据和技术支持。本文设计了微米Cr3C2晶粒与纳米Cr3C2晶粒的不同配比,制备了对应的四种不同纳米Cr3C2晶粒添加量的微/纳结构Cr3C2-NiCr喷涂喂料,探究了不同参数下喷涂喂料的物理特性,并选用恰当的喷涂参数,利用超音速火焰喷涂技术制备了四种微/纳结构Cr3C2-NiCr涂层,研究了不同微米Cr3C2晶粒与纳米Cr3C2晶粒的配比对Cr3C2-NiCr涂层的组织结构、力学性能,以及在不同载荷、不同介质中的腐蚀磨损行为。主要研究结果如下:(1)探究了不同工艺参数对喷涂喂料物理特性的影响,并据此制备了四种纳米Cr3C2晶粒添加量不同的微/纳结构Cr3C2-NiCr涂层,研究了涂层的机械性能。结果表明:当浆料固含量为35%,粘结剂含量为3%,进风温度为300℃时,所制备的喷涂喂料的物理性能最佳,其中值粒径、松装密度、流动性分别达到了 35.5μm,2.2g·cm-3和35s·50g-1,适合用于超音速火焰喷涂;涂层主要包含Cr3C2硬质相、NiCr粘结相,未检测到明显脱碳;当纳米Cr3C2晶粒添加量为30%~50%时,随着纳米Cr3C2晶粒含量的增加,涂层的显微硬度、结合强度随之上升,孔隙率逐渐下降,而当纳米Cr3C2晶粒含量达到60%时,纳米粒子含量过多而引起涂层内部团聚,机械性能降低,其中当纳米Cr3C2晶粒添加量为50%时,涂层的机械性能最佳,此时涂层的显微硬度、结合强度以及孔隙率分别达到了 1124.6HV0.3、79.6MPa和0.30%。(2)考察了四种微/纳结构Cr3C2-N iCr涂层与常规微米结构涂层在去离子水中的腐蚀磨损行为,揭示了微/纳结构Cr3C2-NiCr涂层在3.5%NaCl溶液和人工海水中的腐蚀磨损行为。结果表明:相较于微米结构涂层,微/纳结构涂层在去离子水中的体积磨损率降低了 95%以上,在静态腐蚀与腐蚀磨损状态下的开路电位相对于微米结构涂层也分别正移了约0.12V~0.2V与0.02V~0.1V;对比涂层在人工海水中的腐蚀电流密度,其在3.5%NaCl溶液中更低,其腐蚀电流密度的对数最低可至-5.49A/cm2,并且当纳米Cr3C2晶粒含量较高(50%)时,因其较为良好的机械性能,使得其耐磨耐腐蚀性能达到最佳,除此之外,所有涂层的磨损表面在不同介质下均未观察到大面积的涂层剥落、犁沟或是点蚀等剧烈磨损或腐蚀的特征。(3)探明了不同摩擦工况(载荷、介质种类)对微/纳结构Cr3C2-NiCr涂层的电化学腐蚀与摩擦磨损性能的影响;探讨了电化学腐蚀与摩擦磨损的协同交互作用与腐蚀磨损机制。研究表明:随着载荷的增大,涂层的磨损程度因剪切应力的增大而增大,同时涂层的开路电位也由于涂层表面钝化膜更易遭到破坏而呈现出负移的变化趋势;其中当纳米Cr3C2晶粒添加量为50%时,涂层在0.2M NaOH溶液与0.2M HC1溶液中的体积磨损率以及动态磨损状态下的腐蚀电流密度的对数分别达到了 1.98×10-8、2.12×10-8 mm3/N·m和-5.28、-5.12A/cm2,其在0.2M HCl溶液中磨损形貌表现出了较大程度的磨损与腐蚀产物的积聚,表明微/纳涂层在NaOH溶液中的耐磨、耐腐蚀性能更加良好,这与其生成的表面膜更耐NaOH溶液腐蚀有关。
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