王 勇 李 洋 呂 妍 張旭昀 畢鳳琴

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶石化公司信息技術(shù)中心)

應(yīng)力作用下鐵基非晶涂層腐蝕性能影響的研究綜述*

王 勇**1李 洋1呂 妍2張旭昀1畢鳳琴1

(1.東北石油大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院；2.大慶石化公司信息技術(shù)中心)

從鐵基非晶合金和涂層的研究入手，概述了制備過程中殘余應(yīng)力和外加應(yīng)力對涂層腐蝕性能的影響，以期為開展非晶涂層在力學(xué)和腐蝕環(huán)境中的研究提供理論指導(dǎo)，擴大非晶涂層的應(yīng)用領(lǐng)域。

鐵基非晶合金 應(yīng)力 涂層 腐蝕

非晶態(tài)合金是一類遠離平衡態(tài)、結(jié)構(gòu)無序的剛性固體物質(zhì)，具有許多特異的物理、化學(xué)性質(zhì)，如接近理論值的高強度、高硬度、高彈性極限，優(yōu)異的磁各向同性、優(yōu)良的耐腐蝕性等[1]。自20世紀80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)界的研究開發(fā)重點，被譽為繼鋼鐵和塑料后材料領(lǐng)域的第三次革命。鐵基非晶合金具有較強的非晶形成能力，一直以來是人們研究的熱點。1995年第一個塊體鐵基非晶(Fe73Al5Ga2P11C5B4)被開發(fā)[2]，2004年報道出直徑為12mm的非晶鋼(FeCrMoCBY)[3]，2007年直徑達16mm的無磁性非晶鋼(FeCoCrMoCBY)被成功制備[4]。鐵基非晶合金具有高的強度和耐腐蝕性能、高的非晶形成能力、低廉的價格以及簡單的制備工藝等，有望作為新型的工程結(jié)構(gòu)材料得以應(yīng)用。

和所有的非晶合金一樣，脆性高、塑韌性差一直是鐵基非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的瓶頸，如果能將鐵基非晶合金開發(fā)為一種涂層材料，則會進一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。超音速火焰噴涂(High Velocity Oxygen Fuel/High Velocity Air Fuel，HVOF/HVAF)顆粒速度高，制備涂層孔隙率低，適宜于制備高非晶含量的耐蝕耐磨涂層[5]，它將成為船舶、水利及礦石開采等腐蝕磨損領(lǐng)域一種極具應(yīng)用價值的材料，為工業(yè)界帶來巨大的經(jīng)濟效益。

1 鐵基非晶涂層研究概況

近年來，國際上諸多學(xué)者紛紛開展鐵基非晶涂層制備工作。自2002年開始，美國國防部和能源部啟動SAM(Structure Amorphous Metal)重大研究項目，采用HVOF工藝制備了SAM系列高耐蝕性能的鐵基非晶涂層，耐蝕性優(yōu)于C-22鎳基合金[6]。至2009年，該涂層已用于儲存美國內(nèi)華達Yucca山的高放廢物，降低核廢料儲存周期成本近580億美元[7]。

國內(nèi)諸多研究組在鐵基非晶涂層制備、腐蝕、磨損及沖蝕性等方面開展了不少工作，進行了較為系統(tǒng)的研究，并致力于鐵基非晶涂層在耐蝕耐磨領(lǐng)域的推廣應(yīng)用[8～19]。非晶涂層具有單相均勻結(jié)構(gòu)特征和成分設(shè)計靈活可控性，為深入研究腐蝕問題提供了全新的視角。

2 殘余應(yīng)力對非晶涂層腐蝕性能影響

隨著人們對非晶涂層工程化應(yīng)用關(guān)注度的不斷提高，力學(xué)因素的研究已經(jīng)逐漸被提升至更為顯著的位置。力學(xué)作用對涂層失效過程有著重要的影響，腐蝕使其破壞行為變得更為復(fù)雜。在力學(xué)和腐蝕耦合作用下，非晶涂層可能表現(xiàn)出與晶體材料不同的或特殊的性能，這些都將加深、拓展對非晶材料宏觀力學(xué)性能、微觀腐蝕機理及其相互關(guān)系的認識。

常規(guī)晶體材料在拉應(yīng)力和特定腐蝕環(huán)境共同作用下會發(fā)生應(yīng)力腐蝕脆性斷裂(Stress Corrosion Cracking, SCC)。根據(jù)大量SCC 破壞事故中拉應(yīng)力的主要來源統(tǒng)計資料表明，在SCC裂紋萌生階段，殘余應(yīng)力往往起重要作用，可以有效控制或加速裂紋的萌生。外部應(yīng)力的作用更不可忽視, 裂紋尖端將因缺口效應(yīng)而產(chǎn)生較大的應(yīng)力，進一步加速裂紋的擴展[20]。

在非晶涂層制備和使用過程中，殘余應(yīng)力和外部載荷的作用更是一個不可忽視的問題。殘余應(yīng)力作為影響腐蝕的力學(xué)因素的重要組成部分在工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)引起了很大的關(guān)注。熱噴涂時，由于涂層厚度、噴涂工藝、顆粒速度以及與基體材料熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)的差異，造成大量殘余應(yīng)力存在。殘余應(yīng)力既會引起涂層內(nèi)微裂紋的產(chǎn)生，降低涂層強度以及與基體的結(jié)合強度；更會造成熱噴涂層的開裂、分層和翹曲，造成涂層失效，進而影響其疲勞、腐蝕等使用性能[21～23]。但是有關(guān)殘余應(yīng)力對腐蝕、鈍化和SCC的作用機制影響研究還不夠深入，國內(nèi)在這些方面開展的研究工作更少[24，25]。

3 外加應(yīng)力對非晶涂層腐蝕性能影響

外部應(yīng)力作用下會對涂層材料腐蝕過程以及表面鈍化膜的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。在應(yīng)力狀態(tài)下不銹鋼形成的鈍化膜易發(fā)生點蝕，對Cl-離子濃度也更為敏感，應(yīng)力高臨界Cl-離子濃度低[26]。但鐵基合金和涂層具有比普通不銹鋼更穩(wěn)定的鈍性，針對應(yīng)力對其鈍態(tài)敏感性的研究更具挑戰(zhàn)性。碳鋼的鈍化速率隨形變量增加而增加[27]，但應(yīng)力增加又導(dǎo)致鈍化膜的破壞程度增加[28]?？梢韵胂?，在應(yīng)力作用下，鈍化膜的破壞過程和自我修復(fù)過程是一個競爭關(guān)系。鐵基非晶涂層穩(wěn)定的鈍化性能和特殊的結(jié)構(gòu)特征，有助于理解它在應(yīng)力作用下的鈍化膜的穩(wěn)定關(guān)系。

需要指出的是，非晶合金具有與晶體不同的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為，使得它在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)下裂紋擴展的方式變得更為復(fù)雜。晶體在力學(xué)和腐蝕介質(zhì)作用下，裂紋擴展主要有沿晶和穿晶兩種類型，其塑性變形可以用位錯滑移機制來解釋。非晶合金拉伸與壓縮斷裂常常表現(xiàn)為脆性的剪切斷裂，而且拉伸與壓縮強度具有不對稱性，剪切斷裂角具有不一致性[29]，其拉伸斷裂符合“橢圓準則”[30]。但非晶合金原子無序、無晶界缺陷的特征，使得應(yīng)力作用下的非晶合金塑性變形機制并不明朗。對于非晶涂層在應(yīng)力作用下微觀作用機制尚缺少深入的研究。

4 結(jié)束語

非晶涂層是一種極具應(yīng)用前景的新型材料。無論是對應(yīng)力作用時非晶涂層的腐蝕行為，還是對應(yīng)力作用下材料的微觀作用機制，目前的研究還非常有限。在鐵基非晶涂層開發(fā)應(yīng)用之際，研究應(yīng)力作用下非晶涂層的腐蝕影響行為，以及非晶涂層在可能的力學(xué)和腐蝕應(yīng)用環(huán)境中的服役性能，是將此種材料的開發(fā)應(yīng)用走向成熟的必要過程。

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SummaryofStudiesonCorrosionResistanceofFe-basedAmorphousMetallicCoatingsunderActionofStress

WANG Yong1, LI Yang1, LV Yan2, ZHANG Xu-yun1, BI Feng-qin1

(1.CollegeofMechanicalScienceandEngineering,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.InformationTechnologyCenter,DaqingPetrochemicalCompany,Daqing163318,China)

Starting with investigating into Fe-based amorphous alloy and its coatings, the effects of residual stress and mechanical stress on the corrosion resistance of Fe-based amorphous coatings were elaborated to provide theoretical support for the study on the amorphous metallic coatings applied in mechanical and corrosive environments so as to broaden its application range.

Fe-based amorphous alloy, stress, coatings, corrosion

*國家自然科學(xué)基金項目(51401051)；黑龍江省自然科學(xué)基金項目(QC2013C056)。

**王 勇，男，1979年11月生，副教授。黑龍江省大慶市，163318。

TQ050.9

A

0254-6094(2016)03-0284-04

2015-09-08，

2016-04-25)