镍铝青铜表面热扩渗镍涂层设计制备及其耐蚀机制研究

Nickel-aluminum bronze faced the outstanding problem of selective corrosion failure when servicing in the marine condition, which has seriously hampered the development of marine equipment. It is urgent to develop the short process technology with low-cost, which is suitable for surface modification of large parts. This project proposed the research idea applied with electrodeposition to form nickel-rich layer via thermal diffusion, which exhibited strong interfacial bonding and excellent corrosion resistance, thus overcoming the selective corrosion. The formation mechanism of metallurgy diffusion layer was investigated with the corrosion performance. The behavior of mass transfer of a single metal in multi-alloy system was analyzed to establish the multiple diffusion kinetics models. The metallurgy diffusion layer was peeled off layer by layer and then examined by micro-electrochemical techniques to explore the intrinsic link between interfacial characteristics and micro-electrochemical behavior. The corrosion behavior of the diffusion layer was investigated under load in the actual conditions to reveal its interaction between mechanics and electrochemistry. It is believed to provide a theoretical basis and data support for the promotion and application of nickel-aluminum bronze in the marine equipment, which has important academic value and practical significance.

镍铝青铜在海洋工况服役过程中面临选择性腐蚀失效的突出问题，严重制约海工装备的发展，研究开发适用于大型部件腐蚀防护的低成本、短流程的表面改性技术迫在眉睫。本项目提出采用电沉积方法进行“镍铝青铜表面热扩渗镍涂层设计”的研究思路，在合金表面形成富镍冶金扩散层，兼具强界面结合和高耐蚀性能，可以有效克服选择性腐蚀。通过对冶金扩散层形成机制及其腐蚀特性的系统研究，深入分析单金属在多元合金体系中的扩散传质行为，建立多元扩散动力学模型；采用逐层剥离方法，结合微区电化学分析技术，探索扩散层微观腐蚀界面特征与微区电化学行为之间内在联系；考察实际工况中负载状态下的冶金扩散层腐蚀行为特征，揭示其腐蚀破坏的力学-电化学交互作用机制，可以为镍铝青铜在海工装备中的推广应用提供理论依据和数据支撑，具有重要的学术价值和现实意义。

本项目按照预定研究计划完成，针对镍铝青铜合金服役于海洋工况面临的选相腐蚀问题，开发了一种镍铝青铜表面富镍扩散合金化的制备方法，以Ni/NAB扩散体系为研究对象，控制及调整Ni涂层厚度和热扩散工艺参数，获得了具有明显的Ni-Cu固溶体/Ni-Al-Cu层/NAB基体的分层结构。通过对富镍合金化层扩散过程的深入分析，揭示了Ni-Cu固溶区及Ni-Al-Cu层生长机制；对表面富镍合金化层的耐静态腐蚀性能、耐空泡腐蚀性能及机理进行了系统的研究工作。在本项目的资助下，围绕上述研究内容，已发表学术论文8篇，其中7篇论文被SCI收录，申请国家专利5项。相关成果获得电力建设科学技术进步奖二等奖。主要研究结果如下：.（1）通过控制Ni涂层厚度和热扩散时间，在镍铝青铜合金表面实现了Ni-Cu层/Ni-Al-Cu层和单一Ni-Al-Cu层改性层的设计制备，改善了基体的表层组织结构。根据热力学和动力学的分析结果建立了合金扩散过程的物理模型，该物理模型显示扩散过程占据主导地位，即Ni和Cu 优先扩散形成固溶体，Al 扩散到固溶体中生成合金相。.（2）在静态腐蚀环境中，对改性层的耐腐蚀性能进行了测试分析，结果表明：Ni-Cu层表面生成了致密的钝化膜，主要成分为Ni(OH)2和Cu2O，表现为沿着晶粒边界的均匀腐蚀；Ni-Al-Cu层为明显的点蚀。因此，对于静态腐蚀而言，Ni-Cu 层具有更大的优势。.（3）空泡腐蚀过程是电化学腐蚀和机械冲击力协同作用的结果。通过对改性层的硬度分析可知，Ni-Al-Cu层纳米硬度约为5.52Gpa, 是Ni-Cu层和基体的2.5倍。空泡12h，Ni-Al-Cu层在3.5wt.%NaCl溶液中的失重量为NAB的18%，空泡腐蚀性能提高了约5倍。机械冲击引起的失重量所占百分比大于80%，说明机械效应是影响空泡腐蚀行为的主要因素。