激光熔覆大厚度高纯铁基非晶涂层的形成机理及其在腐蚀介质中的磨损特性

铁基非晶涂层耐磨耐蚀的综合性能突出，适宜复杂服役环境的防护。然而热喷涂非晶涂层厚度小，空隙率较高，结合力较低，服役寿命缩短；且其耐磨性与耐蚀性通常被分开来独立研究。本项目将块体非晶形成理论与激光熔覆工艺有机结合，原位制备出冶金结合的大厚度（1-10mm）高纯铁基非晶涂层，并在不同温度和种类的腐蚀介质中进行磨损、冲蚀实验。对涂层的组织结构和动态腐蚀性能进行系统测试和评价，建立激光工艺参数、微观组织、非晶相体积分数与防蚀耐磨性能之间定量的系统关联。重点研究内容包括：（1）分析工艺参数、合金组分、界面稀释率和局部温度场分布等参量的系统关联，揭示制约大厚度熔覆涂层非晶形成能力的关键因素，并考察多种块体非晶形成判据在大厚度熔覆涂层中的适用性和差异性；（2）监测磨屑和磨痕的微观产生过程和随外界条件的变化，分析涂层在不同腐蚀介质中的磨损、冲蚀特性，从微观层面阐明涂层的失效机理，进而大幅提高涂层服役寿命。

近年来，很多热喷涂方法在制备非晶涂层方面得到应用，例如超音速火焰喷涂、电弧喷涂和等离子喷涂技术。然而热喷涂层厚度超过800微米时，涂层会变脆，这是由于在基体与涂层间有较高的空隙率和低的结合强度。然而在一些极端条件下，厚度为1-3mm的涂层可有效延长部件寿命，例如石油钻杆，磨辊等。在众多制备非晶涂层的技术手段中，激光熔覆是一种十分有效的制备大厚度非晶涂层的方法，同时可以提高结合强度，降低空隙。本课题通过激光熔覆的方法在钢管或钢板基体上制备了一系列不同厚度（1-3mm）的铁基非晶涂层。通过扫描电子显微镜、x光衍射仪、光学显微镜和维氏硬度计分别对涂层的微观结构、相结构和微观硬度进行了表征。结果表明激光熔覆非晶涂层主要为非晶基体和纳米晶相，涂层中无明显空隙等缺陷，涂层与基板为冶金结合，非晶相含量最高可达80%以上。多层激光熔覆制备的涂层非晶含量高于单层激光熔覆制备的涂层，说明多层熔覆可以有效避免基体对非晶涂层的稀释。不同成分的铁基非晶涂层的微观硬度值均达到碳钢硬度的4-5倍以上。通过在3.5wt%氯化钠溶液中对比激光熔覆非晶涂层、相同成分的非晶条带、超音速火焰喷涂涂层和基体的电化学极化曲线，发现激光熔覆非晶涂层的耐腐蚀性能接近相同成分的非晶条带。分别在盐水和淡水中开展了湿沙橡胶轮磨损实验，发现普通碳钢在盐水中磨损严重，而非晶涂层在盐水磨损量接近淡水磨损量，说明非晶涂层在腐蚀介质中有较强的抗磨损能力。还开展了650度下的高温硫熔盐腐蚀试验，铁基非晶具有很强的抗高温硫腐蚀性能。本研究重点对涂层的微观结构与性能的关系进行了讨论，激光熔覆制备的低成本铁基非晶涂层具有优异的硬度和抗腐蚀特性，因此表明了激光熔覆大厚度涂层有潜力于兼具腐蚀与磨损的多因素耦合复杂工况。