張志彬 張舒研,2 魯 楠 陳永雄 梁秀兵

1.軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，北京，1000712.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，舟山，316021

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)材料在海洋嚴(yán)苛環(huán)境下的腐蝕問題一直困擾著世界各國。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全世界每年因腐蝕而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約為7000～10000億美元[1-4]。2014年，我國因腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失總額超過了2萬億元，約占當(dāng)年GDP總值 的3.34%，其中因海洋腐蝕造成的損失約占總損失的1/3[1-4]。海洋嚴(yán)苛環(huán)境中，各類船體、氣象浮標(biāo)、海上平臺、海底管線、岸壁設(shè)施等鋼結(jié)構(gòu)材料長期受到強(qiáng)烈日照、潮濕空氣及海鹽微粒的影響，因此受腐蝕程度更加嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋鋼結(jié)構(gòu)材料的平均腐蝕速率約為0.12 mm/a[1-4]，在海水泥沙沖刷等動(dòng)態(tài)腐蝕磨損環(huán)境下，海洋鋼結(jié)構(gòu)材料會(huì)遭受更加嚴(yán)重的損傷[4-10]，因此，如何提高海洋鋼結(jié)構(gòu)材料表面防護(hù)能力、延長其腐蝕磨損等嚴(yán)苛環(huán)境下的服役壽命，已成為當(dāng)今材料科學(xué)、表面工程和再制造工程等領(lǐng)域的重要研究方向。

金屬防腐蝕涂層表面沉積技術(shù)中較為常見的是電弧噴涂沉積純Al涂層技術(shù)，該技術(shù)在海洋鋼結(jié)構(gòu)件表面防腐蝕方面獲得了一定的認(rèn)可，是被公認(rèn)的防腐蝕工程首選技術(shù)之一[11-15]。鋁材在大氣中可以在其表面自發(fā)形成較為致密的Al2O3保護(hù)膜，保護(hù)膜能延緩腐蝕介質(zhì)對其侵蝕的進(jìn)程[16-20]，且鋁的電化學(xué)性能比較活潑，在人工海水中其標(biāo)準(zhǔn)電極電位負(fù)于鋼鐵基體，可以起到有效的陰極保護(hù)作用[14-16]，最為重要的是，Al是環(huán)境友好型元素，便于回收。但是，電弧噴涂鋁涂層與鋼基體之間的結(jié)合強(qiáng)度不高(普遍未超過10 MPa)[14,21]，而且鋁涂層內(nèi)存在較多孔隙(甚至出現(xiàn)通孔)，大大降低了鋁涂層的防腐蝕性能。此外，鋁涂層屬于軟質(zhì)材料，往往表現(xiàn)出硬度低、耐磨損性能差等不足，嚴(yán)重制約了電弧噴涂鋁涂層技術(shù)在海洋裝備領(lǐng)域更為廣泛的應(yīng)用。

與晶態(tài)材料相比，鋁基非晶材料組織結(jié)構(gòu)和成分更加均勻，不存在晶界、位錯(cuò)等容易引起微觀腐蝕的部位，而且其硬度較高，耐磨損性能和防腐蝕性能非常優(yōu)異，在海洋裝備表面防護(hù)領(lǐng)域具有較大的應(yīng)用潛力，受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[22-23]。梁秀兵等[24-28]采用高速電弧噴涂技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層的制備，并系統(tǒng)地研究了涂層的微觀結(jié)構(gòu)、硬度、防腐蝕等性能。CHENG等[29-30]在此基礎(chǔ)上拓寬了鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層的材料體系，并分析了涂層在腐蝕環(huán)境下的電化學(xué)失效行為特征。事實(shí)上，由于鋁基非晶材料的非晶形成能力較差，因此在采用高速電弧噴涂技術(shù)制備鋁基非晶涂層過程中難以獲得完全非晶結(jié)構(gòu)的鋁基涂層，但是所獲得的鋁基涂層中形成的納米晶晶粒通常比較細(xì)小，使這種經(jīng)過部分納米晶化的鋁基非晶涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕及高硬度等特性[28-30]。因此，本文針對高速電弧噴涂制備的AlNiZr非晶納米晶復(fù)合涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中的摩擦磨損行為進(jìn)行研究，為該類材料在海洋嚴(yán)苛環(huán)境下的推廣應(yīng)用提供基礎(chǔ)理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料選用商用45鋼(中碳調(diào)質(zhì)鋼)，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：w(C)=0.42%～0.5%，w(Cu+Cr)<0.25%，w(Mn)=0.5%～0.8%，w(Si)=0.17%～0.37%，余量為Fe[26]。高速電弧噴涂所用原材料為AlNiZr粉芯絲材(w(Ni)=20%～30%，w(Zr)=3%～10%，余量為Al)，其主要特征為：絲材以純鋁帶為外皮，在經(jīng)U形軋制后填充規(guī)定比例的含Ni、Zr的合金粉末，再經(jīng)過多輥連續(xù)軋制和多道連續(xù)拔絲減徑工序，制成直徑為2 mm的鋁基粉芯絲材。

1.2 鋁基非晶納米晶復(fù)合涂層的制備

在制備涂層前，需要對基體表面進(jìn)行除垢，并在基體表面干燥后利用噴砂技術(shù)對其進(jìn)行粗糙化處理。采用的噴砂工藝參數(shù)如下：噴砂材料為25目棕剛玉，噴砂氣壓為0.7 MPa，噴砂角度為70°～90°，噴砂距離為100 mm。采用自行研制的自動(dòng)化高速電弧噴涂系統(tǒng)(包括HAS-02型噴槍、CMD-AS 3000型電源、送絲設(shè)備和安川MOTOMAN-HP20型機(jī)器人)制備AlNiZr涂層。采用的高速電弧噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電流140 A、噴涂電壓34 V、噴涂距離180 mm、噴槍移動(dòng)速度250 mm/s、空氣氣壓0.65 MPa。

1.3 微觀結(jié)構(gòu)分析方法

涂層制備后，采用D8型X射線衍射儀(XRD)分析涂層的相結(jié)構(gòu)。采用Nova Nano SEM 650型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀測涂層表面及截面的微觀形貌，并利用其配套的能譜儀(EDS)進(jìn)行成分分析。針對采集的10張SEM照片，利用Image J圖像分析軟件，基于灰度法來計(jì)算涂層內(nèi)部的孔隙率，并取其平均值。采用JEM-2010高分辨率通用型透射電子顯微鏡(JEOL)觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)。

1.4 性能測試方法

采用FM700型數(shù)字顯示顯微硬度計(jì)檢測沿涂層截面方向向外的硬度分布情況。采用標(biāo)準(zhǔn)的Vickers金剛石四棱錐壓頭進(jìn)行加載，加載質(zhì)量為100 g，加載時(shí)間為15 s。測量時(shí)，沿涂層截面方向向外每間隔50 μm采集一次數(shù)據(jù)，每組采集10處的數(shù)據(jù)，取3組數(shù)據(jù)的平均值，同時(shí)，與基體作對比。采用拉伸試驗(yàn)法，依據(jù)GB/T 8642—2002在MTS 809萬能試驗(yàn)機(jī)上檢測涂層的結(jié)合強(qiáng)度大小。

試樣尺寸為20 mm×20 mm×10 mm，采用MFT-R4000高速往復(fù)滑動(dòng)摩擦設(shè)備測試干摩擦條件下涂層的滑動(dòng)摩擦磨損性能。選用球盤式往復(fù)滑動(dòng)模式，往復(fù)滑動(dòng)行程為5 mm，滑動(dòng)頻率為1 Hz，試驗(yàn)時(shí)間為15 min，法向載荷設(shè)定為15 N，試驗(yàn)溫度為25 ℃，摩擦副為直徑4 mm的SiC球。利用MFT-EC4000電化學(xué)腐蝕摩擦設(shè)備研究涂層在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的耐磨損性能，腐蝕介質(zhì)選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，其余試驗(yàn)條件均與干摩擦條件下的相同。在腐蝕磨損試驗(yàn)過程中，首先將試樣完全浸泡于腐蝕介質(zhì)中5 min，同時(shí)利用電化學(xué)腐蝕摩擦設(shè)備配套電化學(xué)工作站采集其開路電位信息，再加載15 N載荷開始摩擦磨損試驗(yàn)以及采集此過程中的開路電位及摩擦因數(shù)變化情況，最后卸載載荷、繼續(xù)浸泡5 min，同時(shí)記錄試樣的開路電位變化情況。試驗(yàn)完成后利用SEM和EDS等分析試樣表面形貌及成分的變化情況。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層微觀結(jié)構(gòu)分析

圖1為AlNiZr涂層的橫截面形貌照片，可以看出，AlNiZr涂層與45鋼基體之間的結(jié)合較為緊密。雖然兩者之間的結(jié)合為機(jī)械嵌合，但兩者界面處沒有明顯的裂紋、孔洞等缺陷特征。圖1分析結(jié)果表明，AlNiZr涂層的厚度約為600 μm，而且涂層內(nèi)部呈現(xiàn)典型的層狀結(jié)構(gòu)。通過圖像處理軟件測算分析，發(fā)現(xiàn)AlNiZr涂層孔隙率約為3.5%。經(jīng)EDS分析可知，涂層的主要化學(xué)成分為Al65.70Ni14.57Zr6.56O13.17(下標(biāo)為原子分?jǐn)?shù)，%，下同)，可見涂層在成形過程中，特別是霧化液滴在高速飛行時(shí)與氧氣接觸生成了微量的氧化物相。

圖1 AlNiZr涂層的橫截面形貌照片

圖2為AlNiZr涂層的XRD圖譜。由圖2可知，AlNiZr涂層XRD圖譜中的2θ在34°～48°區(qū)間存在一個(gè)較為明顯的漫散射寬化峰，這是非晶結(jié)構(gòu)衍射峰圖譜的典型特征。采用Verdon法對AlNiZr涂層的XRD圖譜進(jìn)行擬合，經(jīng)計(jì)算可知涂層中非晶體積分?jǐn)?shù)約為64.93%[31]；同時(shí)，涂層中存在α-Al、Al9.83Zr0.17、Ni3Zr和ZrO2相的衍射峰[26]，說明涂層中存在微量氧化產(chǎn)物，這與EDS分析結(jié)果較為一致。

圖2 AlNiZr涂層的XRD圖譜

圖3為AlNiZr涂層的TEM明場像及選區(qū)電子衍射(SAED)花樣。圖3a中Ⅰ區(qū)組織均勻、襯度均一，其SAED花樣(圖3a中插圖)表現(xiàn)為完全非晶結(jié)構(gòu)的典型特征。圖3b中Ⅱ區(qū)為納米晶、晶化相結(jié)構(gòu)的TEM明場像，可看到“類圓形”納米晶(深色)析出，這些納米晶的尺寸介于10～30 nm之間，其SAED花樣(圖3b中插圖)表現(xiàn)為多晶衍射環(huán)上散落著亮斑。

(a)非晶富集區(qū)

由此可知，AlNiZr涂層主要由非晶、納米晶與晶化相復(fù)合而成，而且涂層中具有較高體積分?jǐn)?shù)的非晶。其形成原因主要如下。

(1)一般金屬材料在冷卻過程中遇到驟冷時(shí)，其原子有序化過程會(huì)發(fā)生混亂并被阻斷，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部原子出現(xiàn)隨機(jī)無序化現(xiàn)象，即促進(jìn)形成非晶結(jié)構(gòu)。高速電弧噴涂技術(shù)具有較高的冷卻速率(超過105K/s)[26]，有助于促使熔化態(tài)液滴在未發(fā)生形核或晶核長大時(shí)就形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

(2)根據(jù)INOUE等[32]提出的經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則可知，合金組元的原子半徑差大于12%，且其組合后的混合焓有較大的負(fù)值，容易形成非晶結(jié)構(gòu)。圖4所示為Al、Ni、Zr元素的原子半徑及每兩種元素之間的混合焓值[33]，可知三者之間的原子尺寸差約為12%，且具有較大的負(fù)混合焓。其中，Zr作為大尺寸原子有效阻礙了其他原子的遷移，小尺寸原子Ni提高了原子排列的混亂度和堆排致密度，兩者共同降低了熔融粒子的有序化過程；此外，合金整體表現(xiàn)為大的負(fù)混合焓，其中Al-Zr、Ni-Zr的混合焓分別是-44 kJ/mol、-49 kJ/mol，可見添加Zr原子增大了組元間總的混合焓值并提高了熔融粒子非晶轉(zhuǎn)變的溫度，進(jìn)而使涂層具有較好的非晶形成能力。但是高速電弧噴涂過程中，熔融區(qū)的溫度超過5000 ℃，熔滴飛行時(shí)溫度也達(dá)到了2300 ℃，遠(yuǎn)大于鋁基非晶組織的晶化轉(zhuǎn)變溫度，部分熔滴在快速空冷時(shí)易發(fā)生晶化轉(zhuǎn)變，形成納米晶[34]；而且在非晶的內(nèi)部原子出現(xiàn)團(tuán)聚時(shí)，Al-Al比Al與其他元素間的熱穩(wěn)定性差，易在溫度影響下首先發(fā)生成分偏析，晶化形成α-Al相[35]。這與XRD、TEM分析結(jié)果較為一致。

圖4 各元素的原子半徑與原子間混合焓[33]

2.2 涂層顯微硬度與結(jié)合強(qiáng)度分析

圖5所示為沿AlNiZr涂層橫截面方向由45鋼基體向涂層表面延伸的顯微硬度分布情況。由圖5可知，AlNiZr涂層的平均顯微硬度值為363HV0.1，約是45鋼(226HV0.1)的1.6倍、純鋁涂層(39HV0.1)的9.3倍[26]，說明涂層具有良好的力學(xué)性能。AlNiZr涂層硬度提高一方面是由于涂層的非晶含量較高，另一方面是由于涂層中納米晶粒的彌散強(qiáng)化作用[36]。此外，涂層中存在氧化物相，也為涂層高硬度特性作了貢獻(xiàn)。

圖5 AlNiZr涂層沿截面方向顯微硬度分布情況

圖6為AlNiZr涂層拉伸斷裂后涂層與45鋼基體之間結(jié)合處的斷面照片。由圖6可知，斷裂發(fā)生在涂層與基體的結(jié)合處。通過檢測，發(fā)現(xiàn)涂層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度平均值為30.8 MPa。通常認(rèn)為，熔融粒子在高速氣流沖擊作用下，在基體上鋪展、咬合、堆積形成層狀電弧噴涂層，涂層與基體間以機(jī)械結(jié)合為主[26]。

圖6 AlNiZr涂層拉伸斷面照片

2.3 干摩擦條件下涂層磨損失效行為分析

圖7所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層和45鋼在干摩擦條件下加載15 N載荷時(shí)的摩擦因數(shù)情況。從圖7中可以看出，AlNiZr涂層的平均摩擦因數(shù)較小，約為0.125，與45鋼的平均摩擦因數(shù)值(0.102)較為接近。隨著摩擦的進(jìn)行，AlNiZr涂層與45鋼的摩擦因數(shù)值快速趨于穩(wěn)定，而純Al涂層的摩擦因數(shù)值振蕩較大，其平均摩擦因數(shù)約為0.161，這可能是由于與AlNiZr非晶納米晶復(fù)合涂層相比，純鋁涂層的整體硬度較低、表面粗糙度較差導(dǎo)致的。

圖7 試樣干摩擦條件下的摩擦因數(shù)

圖8所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層和45鋼在干摩擦條件下加載15 N載荷時(shí)的磨損體積。從圖8中可知，45鋼的磨損體積最小，約為0.04 mm3，而AlNiZr涂層的磨損體積約為0.134 mm3，約是純鋁涂層磨損體積(1.314 mm3)的1/10。AlNiZr涂層磨損體積較小的原因可能是它的非晶含量較高，涂層組織較為均勻與致密，納米晶化的α-Al、Al9.83Zr0.17等物相的強(qiáng)化作用。

圖8 試樣干摩擦條件下的磨損體積

圖9所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層和45鋼在干摩擦條件下加載15 N載荷時(shí)的磨痕寬度情況，可知，AlNiZr涂層的磨痕寬度約為882.4 μm，與純鋁涂層的磨痕寬度(1941.2 μm)相比減小了1/2，表現(xiàn)出較佳的耐磨損性能，但是仍大于45鋼的磨痕寬度(337.5 μm)。

圖9 試樣干摩擦條件下的磨痕寬度

由于電弧噴涂層通過層層堆積形成，無法避免涂層層間夾雜的空氣溢出或雜質(zhì)留下的缺陷，這些缺陷影響了涂層的力學(xué)性能，因此與45鋼相比，涂層的摩擦因數(shù)、磨損體積和磨痕寬度均較大。但是與純鋁涂層相比，AlNiZr涂層表現(xiàn)出了良好的耐磨減摩性能。圖10所示為AlNiZr涂層在干摩擦條件下加載15 N載荷時(shí)的磨痕表面形貌，可以看出，AlNiZr涂層磨痕表面主要表現(xiàn)為“犁溝”形貌，并存在剝落痕跡。

圖10 AlNiZr涂層干摩擦條件下的表面磨痕形貌

對AlNiZr涂層表面磨痕微區(qū)成分進(jìn)行深入分析，結(jié)果如圖11所示。圖11中區(qū)域A為AlNiZr涂層表面出現(xiàn)較大面積剝落后并發(fā)生磨損的區(qū)域，此處的O含量達(dá)到了56.19%(原子分?jǐn)?shù))，與圖1中涂層EDS分析結(jié)果對照發(fā)現(xiàn)，涂層在干摩擦過程中存在氧化現(xiàn)象。分析可知，在摩擦磨損初期，AlNiZr涂層與SiC摩擦副相互接觸摩擦，涂層表面發(fā)生氧化形成較薄的氧化膜。隨著摩擦的不斷進(jìn)行，氧化膜生長到一定厚度，但是由于受到摩擦力與正壓力的共同作用，氧化膜及膜下缺陷(孔隙、夾雜物等)處會(huì)萌生裂紋，由于這種層狀表層氧化膜較脆，因此在持續(xù)的切向作用下氧化層的疲勞損失達(dá)到一定程度后，裂紋會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致一些氧化層發(fā)生剝落。隨著磨損時(shí)間的延長，在磨損接觸面將直接出現(xiàn)較大面積的剝落層，如區(qū)域A所示。同時(shí)由于部分硬質(zhì)氧化層磨屑散落在磨痕區(qū)，導(dǎo)致磨痕形貌出現(xiàn)了輕微的“犁溝”，如區(qū)域B所示。區(qū)域C為發(fā)生剝落后未磨損的區(qū)域，即涂層表面持續(xù)進(jìn)行著“裂紋萌生-剝落”的反復(fù)過程，因此，AlNiZr涂層在干摩擦條件下的磨損失效機(jī)制以氧化磨損和脆性剝層磨損為主，并伴有輕微磨粒磨損。涂層的脆性剝落原因在于，涂層中非晶組織本身具有硬度高的特點(diǎn)，使得非晶耐磨性能優(yōu)異，同時(shí)高非晶含量往往意味著其脆性較大，因此在摩擦副持續(xù)切向作用下出現(xiàn)層片狀脫落，即發(fā)生剝層磨損。

圖11 AlNiZr涂層干摩擦條件下磨痕的表面特征分析

2.4 腐蝕介質(zhì)條件下涂層磨損失效行為分析

圖12所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層與45鋼在腐蝕介質(zhì)條件下加載15 N載荷時(shí)的摩擦因數(shù)情況,可知，AlNiZr涂層的平均摩擦因數(shù)約為0.058，純鋁涂層的平均摩擦因數(shù)約為0.07，均與基體的平均摩擦因數(shù)(0.069)相差不大。

圖12 試樣在不同條件下的摩擦因數(shù)

圖13所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層與45鋼在腐蝕介質(zhì)條件下加載15 N載荷時(shí)的磨損體積情況,純鋁涂層的磨損體積最大，為0.0541 mm3,AlNiZr涂層的磨損體積次之，其值為0.002 16 mm3，與45號鋼的磨損體積(0.001 55 mm3)較為接近。

圖13 試樣在腐蝕介質(zhì)條件下的磨損體積

圖14所示為AlNiZr涂層、純鋁涂層與45鋼在腐蝕介質(zhì)條件下加載15 N載荷時(shí)的磨痕寬度情況,純鋁涂層的磨痕寬度最大，約為800 μm,AlNiZr涂層的磨痕寬度次之，約為314 μm，與45鋼的磨痕寬度(240 μm)較為相近。

圖14 試樣腐蝕介質(zhì)條件下的磨痕寬度

與干摩擦條件下的摩擦磨損特征相比，AlNiZr涂層、純鋁涂層與45鋼的摩擦因數(shù)、磨損體積、磨痕寬度均有明顯的減小，這主要是由于腐蝕介質(zhì)起到了潤滑作用。干摩擦條件下，AlNiZr涂層的磨損體積、磨痕寬度分別約為純鋁涂層的10.2%、45.5%；腐蝕介質(zhì)條件下，AlNiZr涂層的磨損體積、磨痕寬度分別約為純鋁涂層的4%、39.3%。這一結(jié)果說明，與純鋁涂層相比，AlNiZr涂層在腐蝕介質(zhì)條件下表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐磨減摩性能。

圖15所示為AlNiZr涂層在腐蝕介質(zhì)條件下加載15 N載荷時(shí)的腐蝕磨損形貌及開路電位情況。由圖15可知，涂層的磨蝕形貌未觀察到明顯的裂紋、鼓包等現(xiàn)象，僅在圖15中磨痕區(qū)內(nèi)的亮白區(qū)域出現(xiàn)了微裂紋，而磨痕區(qū)之外的地方均表現(xiàn)光滑、平整。圖15a中插圖為15 N載荷時(shí)涂層微區(qū)的磨痕形貌，從中發(fā)現(xiàn)磨痕區(qū)內(nèi)發(fā)生了剝落現(xiàn)象。從圖15b中AlNiZr涂層的開路電位可知，浸泡5 min后進(jìn)行加載時(shí)，涂層表層的鈍化膜受切向力作用而發(fā)生破壞，暴露出新鮮涂層，導(dǎo)致其開路電位有所下降；接著在腐蝕磨損過程中，涂層開路電位持續(xù)升高，說明涂層的表面鈍化膜自愈能力大于涂層被摩擦破壞的作用力。因此，涂層表面出現(xiàn)了越磨損越鈍化的過程，卸載載荷后，涂層的開路電位繼續(xù)上升，表現(xiàn)出再鈍化的趨勢。

(a)磨痕形貌

圖16所示為AlNiZr涂層腐蝕磨損表面的線掃描成分分析結(jié)果。由圖16可知，涂層中磨損區(qū)內(nèi)的Al元素含量降幅較小，說明在腐蝕磨損過程中Al未發(fā)生大量的溶解反應(yīng)；同時(shí)，磨損區(qū)內(nèi)的局部區(qū)域里的O元素含量較高，說明摩擦過程促進(jìn)了涂層的吸氧腐蝕。此外，圖16中A點(diǎn)的成分主要以Fe和O元素為主，這可能是由于腐蝕介質(zhì)Cl-通過涂層中的通孔，優(yōu)先與基體中的Fe元素接觸發(fā)生腐蝕，而且腐蝕產(chǎn)物通過涂層通孔擴(kuò)散到了涂層的表面。

圖16 腐蝕介質(zhì)條件下Al-Ni-Zr涂層磨痕區(qū)的線掃描分析圖

由圖17可知，AlNiZr涂層在腐蝕與磨損共同作用下，涂層磨痕區(qū)表現(xiàn)為由四種結(jié)構(gòu)組成，其中，裂紋萌生的位置主要發(fā)生于亮白A區(qū)與深色B區(qū)的交界處。由EDS分析可知，圖17中A、B、C、D區(qū)域的成分分別為：

圖17 Al-Ni-Zr涂層微區(qū)磨痕形貌

(1)O67.38Al23.19Ni5.62Zr2.42Cl0.91Na0.48；

(2)O59.44Al29.74Ni7.21Zr2.39Cl0.52Na0.34；

(3)O10.65Al51.45Ni31.43Zr6.47；

(4)O6.51Al55.48Ni29.87Zr7.82Fe0.32。

由此可知，圖17中A、B兩區(qū)的O含量高、Al含量低，說明腐蝕磨損過程中A、B區(qū)域發(fā)生了較嚴(yán)重的吸氧腐蝕與Al的溶解，在摩擦與腐蝕作用下涂層萌生裂紋。此外，AlNiZr涂層微觀結(jié)構(gòu)中存在非晶富集區(qū)，而且該區(qū)域的組織較均勻，不易發(fā)生腐蝕，在腐蝕磨損過程中具有較佳的防護(hù)能力[26]；相對而言，涂層中其他區(qū)域容易作為先破壞區(qū)域發(fā)生腐蝕，在往復(fù)摩擦過程中形成微裂紋，并最終在切向力作用下發(fā)生涂層微區(qū)的剝落[26]。綜上所述，AlNiZr涂層在腐蝕介質(zhì)中具有良好的防護(hù)能力，其腐蝕磨損失效機(jī)制主要表現(xiàn)為剝層磨損形式，同時(shí)磨損起主導(dǎo)作用、腐蝕次之。

3 結(jié)論

(1)采用高速電弧噴涂技術(shù)制備的AlNiZr涂層主要由非晶、納米晶和氧化物相復(fù)合組成，內(nèi)部組織均勻、結(jié)構(gòu)致密，呈現(xiàn)出典型的層狀結(jié)構(gòu)，其平均顯微硬度值約為363HV0.1，與45鋼基體之間的平均結(jié)合強(qiáng)度值約為30.8MPa。

(2)在干摩擦條件下，AlNiZr涂層表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)性能，其平均摩擦因數(shù)約為0.125；磨損體積約為0.134 mm3，為純鋁涂層的1/10；磨痕寬度約為882.4 μm，為純鋁涂層的1/2。AlNiZr涂層的磨損失效機(jī)制以氧化磨損和脆性剝層磨損為主，并伴有輕微磨粒磨損。

(3)腐蝕介質(zhì)在摩擦磨損過程中能夠起到潤滑作用，使各試樣的平均摩擦因數(shù)、磨損體積、磨痕寬度均有明顯減小。其中，AlNiZr涂層具有較佳的耐腐蝕磨損性能，其平均摩擦因數(shù)約為0.058；磨損體積約為0.02216 mm3，為純鋁涂層的4%；磨痕寬度約為314 μm，為純鋁涂層的39.3%。AlNiZr涂層的腐蝕磨損失效機(jī)制主要表現(xiàn)為剝層磨損形式，同時(shí)磨損起主導(dǎo)作用、腐蝕次之。