海水冲蚀条件下表面熔覆Ni-Cr-Mo-W合金涂层的耐蚀性研究

The low alloy steels have been widely employed in ocean engineering for its merits of cost-effectiveness and excellent mechanical properties and playing a major role in ship-building, oil resources exploration & exploitation etc.. As one of the most important construction materials in ocean engineering, the low alloy steel encounters significant corrosion in the seawater system. The marine environment arouses harsh conditions that urgently demand a robust and suitable coating protection. To serve this purpose, this study is aiming at the deposition of the Ni-Cr-Mo-W alloy coating on low alloy steels by laser cladding. By virtue of X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), a detailed analysis of the surficial /cross-sectional morphologies, film microstructure and element distribution are characterized systematically under different corrosion circumstances as neutral salt spray and seawater erosion-corrosion. The erosion-corrosion resistance behavior and mechanisms are investigated accordingly with the variation of microstructure and mechanical properties of Ni-Cr-Mo-W alloy coating through the whole corrosion process. The erosion behavior of the alloy coating under the static-state corrosion and the dynamical seawater erosion-corrosion condition is quantitatively analyzed and how the variation of coating microstructure influences the anti-corrosion capacity is thoroughly examined. Meanwhile, by comparison of electrochemical properties of coating system, this study is destined to corroborate the theoretical foundation for the future application of laser cladding-based coating in the field of marine erosion-corrosion protection.

低合金高强度钢作为一种主要的海洋工程用钢，凭借其较低的成本和优良的性能被广泛应用于海洋船舶建造、石油开采开发等领域，是海洋工程中最重要的结构和支撑材料。然而，低合金钢在海水中的腐蚀速度是相当显著的，因此根据其服役环境的特点选择合适的涂层保护则显得尤为重要。本项目拟采用激光熔覆技术，在低合金钢表面沉积Ni-Cr-Mo-W合金涂层，并在不同的腐蚀条件下，包括中性盐雾腐蚀和海水冲蚀，结合X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜SEM及EDS能谱分析、高分辨透射电镜TEM等检测手段，分析涂层在整个腐蚀过程中的表面/截面形貌、晶体结构、元素分布等变化。根据涂层组织结构和力学性能的变化特点及规律，探索涂层的抗冲蚀机制，构建涂层的静态单纯腐蚀行为与其在海水冲蚀条件下的腐蚀行为之间的定量关系，明确涂层组织结构的变化对其腐蚀性能的影响。同时，对比分析涂层的电化学性能，为激光熔覆制备性能优良的防腐材料提供理论依据。

低合金钢凭借其较低的成本和优良的综合性能，在石油勘探、开采及造船等海洋环境中发挥着重要的作用。但是，苛刻的海洋环境使得低合金钢极易形成电化学腐蚀，在一定程度上限制了它的应用。因此，适当的保护涂层就在一些特殊的海洋作业条件下显示出了巨大的优势。本项目采用激光熔覆技术在40Cr钢表面制备了Ni基和Fe基纳米复合涂层，实现了“双金属结构”的设计，通过对不同涂层体系的组织结构、微观形貌、力学性能、摩擦学性能和腐蚀行为的探索研究，优化涂层体系，为低合金钢的应用与防护提供更为可靠的理论依据。同时，探索该涂层的以力学作用为主的冲蚀腐蚀行为对开拓低合金高强度钢在海洋工程中的应用范围具有重要意义。主要结论如下：.（1）Ni基涂层厚度约为0.7 mm，熔覆层主要由γ - (Ni, Fe), FeNi3, Ni31Si12, Ni3B, CrB和Cr7C3组成，涂层的显微硬度约为960 HV0.3。同时，Ni基涂层的腐蚀电流密度为8.1 μA/cm2，较基底降低了一个数量级。标准中性盐雾试验表明，Ni基涂层在1050 h后开始发生严重的腐蚀，并在2000 h腐蚀等级评定为6级，具有较好的耐腐蚀性。.（2）实验中模拟真实的海洋环境，对Ni基涂层进行了冲蚀实验，分析了海水冲击、颗粒磨损等外力作用与腐蚀之间的耦合作用对涂层性能的影响。结果表明，含沙量一定，冲刷速度较低时，腐蚀主要以电化学为主；提高冲刷速度，电化学与冲刷共同作用于金属表面，腐蚀速率加快；冲刷速度继续增大，光滑的金属表面大面积裸露并重新形成一层具有保护作用的氧化膜，此时样品抵抗冲刷和电化学的作用会稍有提高。当冲蚀速度一定时，随着含沙量的增加，样品受到的机械作用增强，腐蚀速率增大；但当含沙量继续增加，沙粒之间的冲击作用变强，沙粒粉末有可能在样品表面沉积，对腐蚀会稍有抑制。.（3）Fe基涂层厚度约为0.7 mm，熔覆层主要由奥氏体和(Fe, Cr)7C3组成，涂层的显微硬度约为357.4 HV0.3。同时，Fe基涂层腐蚀电流密度为11.1 μA/cm2，随着浸泡时间的延长，腐蚀电流密度具有一定程度上先降低后增加的变化趋势。