利用HiPIMS预处理技术提升钢基材上镍涂层的耐腐蚀性能

《Vacuum》：Enhancement of the corrosion protection performance of Ni coatings on steel substrates using HiPIMS pretreatment

　　

朱利安·克劳迪（Julien KERAUDY）|阿克塞尔·费雷克（Axel FERREC）|杜通·阮（Duc Tuong NGUYEN）|迪米特里·博瓦万（Dimitri BOIVIN）|米雷尔·理查德-普卢埃（Mireille RICHARD-PLOUET）|文森特·费尔南德斯（Vincent FERNANDEZ）|尼尔·费尔利（Neal FAIRLEY）|杰雷米·巴贝（Jérémy BARBE）|皮埃尔-伊夫·茹安（Pierre-Yves JOUAN）

法国南特大学（Nantes Université）、法国国家科学研究中心（CNRS）南特材料研究所（Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel，IMN），F-44000南特

摘要

本文探讨了使用高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）对钢基材进行预处理，以提高其在沉积镍（Ni）涂层后的耐腐蚀性。电化学测量表明，镍的腐蚀电位高于钢。在这种情况下，镍涂层中的微小缺陷可能导致钢基材在腐蚀环境中发生严重的阳极溶解。因此，在沉积镍涂层之前，有必要优化钢表面的处理，因为生长缺陷主要源于基材表面的不规则性（如灰尘、抛光残留物和杂质）。在这项工作中，我们开发了一种针对钢基材的HiPIMS预处理方法。该方法通过Ni-Ar HiPIMS放电对基材进行强烈的、均匀的镍离子轰击，并将基材施加-600 V的偏压。我们获得了超清洁的基材表面，并形成了Ni_1-x Fe_x混合界面。这种改性的表面为镍层的生长提供了理想的模板，没有通向基材表面的路径，使得镍-钢体系在室温下的盐雾试验中的耐腐蚀性超过1000小时。

章节摘录

引言

欧洲关于化学品的立法框架促使工业界和学术界寻找环保的替代品，以取代通常用于钢表面防腐的电镀硬铬涂层[1]。这些涂层由含有六价铬离子（Cr⁶⁺）的湿化学浴制成，而六价铬是一种已知的致癌物，会对环境和健康造成重大影响。因此，需要开发替代工艺、替代材料和新设计。

基材预处理和镍沉积

PVD反应器参数：基础压力约为10^-5 Pa。阴极的磁场不平衡，靶材为纯镍（纯度99.9%），直径75毫米，厚度3毫米。靶材与基材之间的距离保持在8厘米。Ar气体（纯度99.9997%）通过可控泄漏阀引入腔室。

电源：磁控阴极由以下电源供电：(i) 用于沉积镍层的直流Hüttinger TruPlasma电源；或

未经基材预处理的镀镍碳钢

首先，研究了通过直流磁控溅射（DCMS）沉积的镍膜的微观结构和腐蚀性能。图2(a)显示了直流磁控溅射沉积的镍涂层的典型XRD图谱。与随机取向的镍（JCPDS n°04-0850）的预期衍射强度相比，沉积的镍层似乎没有明显的取向性。图2(b)中的顶视图SEM显微照片显示，镍层具有典型的颗粒结构。

讨论

众所周知，许多因素会影响通过PVD技术在钢基材上沉积的薄膜的腐蚀行为。文献调查显示，涂层微观结构[79]、涂层厚度[19]、沉积方法[5]、合金元素的性质[80]、电阻率[27]以及沉积层的数量[18]在防腐性能中起着重要作用。近年来，人们投入了大量努力来研究这些因素。

结论

我们的结果表明，HiPIMS预处理显著提高了碳钢基材表面的质量和清洁度，从而改善了通过DCMS在预处理表面上沉积的10 μm厚镍涂层的耐腐蚀性。与未经预处理或仅经过Ar辉光放电预处理的表面相比，经过HiPIMS预处理的表面沉积的镍涂层具有更好的耐腐蚀性。未经镀层的钢在4小时的NSS测试中会严重腐蚀，而经过Ar辉光放电预处理的样品仅有超过40%的表面发生腐蚀。

CRediT作者贡献声明

尼尔·费尔利（Neal FAIRLEY）：方法论研究。文森特·费尔南德斯（Vincent FERNANDEZ）：方法论研究、数据管理。皮埃尔-伊夫·茹安（Pierre-Yves JOUAN）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、项目监督、方法论研究、资金申请、数据管理。杰雷米·巴贝（Jérémy Barbé）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论研究。阿克塞尔·费雷克（Axel FERREC）：撰写 – 审稿与编辑、方法论研究、数据管理。朱利安·克劳迪（Julien KERAUDY）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢J. Lépine和P. Hochart（SDI services, Evron）提供的盐雾测试支持。J. Keraudy和A. Ferrec感谢Jules-Verne技术研究所（IRT Jules-Verne）的财政支持。