《Surface and Coatings Technology》：Synergistic effect of Monel alloy and rolling process on wear and corrosion properties of Cu-Monel composite coatings via arc spraying technology
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陈家宽|倪迅|孔德豪|赵振庄|翟瑞雄|熊一金|刘成浩|黄泰宏|宋鹏昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明，650093摘要通过电弧喷涂工艺制备了不同Monel合金含量的Cu-Monel复合涂层，并研究了Monel合金和轧制工艺对复合涂层微观结构、界面特性、显微硬度、耐腐蚀性和耐
陈家宽|倪迅|孔德豪|赵振庄|翟瑞雄|熊一金|刘成浩|黄泰宏|宋鹏
昆明理工大学材料科学与工程学院，中国昆明，650093
摘要
通过电弧喷涂工艺制备了不同Monel合金含量的Cu-Monel复合涂层，并研究了Monel合金和轧制工艺对复合涂层微观结构、界面特性、显微硬度、耐腐蚀性和耐磨性的协同作用。结果表明，退火工艺促进了Cu与Monel之间的元素扩散，同时减弱了喷涂后涂层的层状结构。冷轧主要通过塑性流动和机械互锁实现致密化，而热轧进一步增强了界面扩散和微观结构的兼容性，形成了更连续的冶金结合区。随着Monel含量的增加，显微硬度也随之提高。最佳的耐腐蚀性和摩擦相关性能强烈依赖于轧制工艺：在冷轧体系中，M30表现出最佳的总体耐腐蚀性；而在热轧后，最佳性能转移到了M40。尽管M50的体积磨损率最低，但过量的Monel掺杂导致了局部成分波动、变形不兼容性以及可能的第三体磨损参与，从而显著增加了摩擦系数。这些结果表明，Cu-Monel涂层的整体性能受Monel含量和轧制工艺的耦合效应控制。热轧将有效成分范围扩展到了更高的Monel含量，尤其是在M40时；然而，过量的Monel添加仍会导致腐蚀和摩擦响应的局部不稳定性。
引言
随着全球工业化的推进和海洋资源的加速开发，海洋工程设备在日益恶劣的环境条件下运行。以海水淡化系统中的热交换和流体输送部件为例，其表面必须具备出色的耐腐蚀性以抵御富含氯离子的海水，足够的耐磨性以承受流体侵蚀和颗粒磨损，以及高导热性以满足热传递要求[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。这种多性能的协同需求使得传统的单一材料系统难以同时满足耐腐蚀性、耐磨性和导热性的关键标准。因此，开发新型复合表面保护系统已成为海洋工程材料领域的重要研究方向[7]、[8]。
由于铜及其基材料具有优异的导热性和电导性、良好的抗生物污损性以及适中的海水耐腐蚀性，它们被广泛用于海水冷却系统、换热器管板、过滤元件和防静电阀门组件[9]、[10]、[11]。然而，纯铜的相对较低硬度和不足的耐磨性使其在颗粒磨损和流体侵蚀下容易受到表面损伤，从而引发局部腐蚀和服务故障。相比之下，Monel合金，特别是Monel 400，表现出出色的海水耐腐蚀性以及高强度和优异的耐磨性[12]、[13]、[14]。其卓越的耐腐蚀性主要源于Ni的钝化作用以及Cu和Ni组合对腐蚀过程的协同抑制[14]、[15]。然而，Monel合金的高成本和加工难度限制了其大规模直接应用[16]。因此，通过复合涂层策略将铜的高导热性与Monel的耐腐蚀性和耐磨性结合起来，被认为是实现铜基组件高性能表面的极具前景的技术途径[17]、[18]、[19]。
在各种表面制备技术中，电弧喷涂因其高沉积效率、低设备成本以及适用于复杂几何形状的大尺寸部件而受到广泛关注[20]、[21]、[22]。然而，传统的电弧喷涂涂层固有地具有高孔隙率、明显的层状结构以及以机械互锁为主的界面[23]、[24]。这些缺陷为腐蚀介质的渗透和局部损伤的传播提供了途径，从而降低了涂层的粘结强度和长期服务稳定性[25]、[26]。此外，传统实心电线的有限成分设计自由度阻碍了多相增强成分的精确引入和均匀分布[27]、[28]。为了解决这些问题，我们之前的研究[15]提出了一种使用填充有Monel 400粉末的Cu芯线作为喷涂原料，并结合短流程“喷涂-退火-轧制”（SAR）工艺来制备Cu-Monel复合涂层的策略。该方法通过源尺度预混合增强了成分均匀性，通过退火促进了元素扩散和冶金结合，并通过后续轧制实现了孔隙致密化和结构强化。这种方法成功制备出了具有高密度、强界面结合以及优异耐腐蚀性和耐磨性的Cu-Monel复合涂层。
尽管初步工作验证了这种复合系统和SAR工艺用于铜基表面强化的有效性，但研究主要集中在建立材料设计概念和短流程工艺的可行性上。该系统在更广泛的成分范围和不同变形路径下的基本微观结构演变尚未系统揭示。具体来说，仍有几个关键问题尚未得到解答：首先，改变Monel掺杂含量如何影响Cu-Monel涂层的相组成、界面扩散区（IDZ）形态和局部微观结构异质性？其次，冷轧和热轧是否通过不同的机制重构了涂层/基底界面？例如，前者主要依靠严重的塑性剪切和加工硬化来实现机械强化，而后者可能通过热机械耦合促进以恢复为主的微观结构松弛和增强的跨界面扩散，从而形成更连续的冶金结合界面。第三，结合耐腐蚀性和耐磨性的最佳Monel比例是一个固定值，还是取决于轧制路径？第四，在极端高掺杂条件下，局部富Ni/Cu区域、局部电化学异质性和可能的第三体磨损是否会引发性能不稳定？这些问题表明，优化Cu-Monel复合涂层的性能不能仅仅依赖于增加Monel含量；相反，它受到成分设计和变形路径的耦合效应的控制。与我们之前的工作主要展示通过SAR工艺制备Cu-Monel复合涂层的可行性不同，本研究关注在更广泛的Monel含量范围内的成分-变形路径耦合效应。这里探讨的基本科学问题是，Cu-Monel涂层的耐腐蚀性和摩擦稳定性是由Monel添加单独控制的，还是由Monel含量和轧制路径的耦合效应控制的。通过比较相同还原条件下的冷轧和500°C热轧，本研究揭示了最佳耐腐蚀成分的轧制路径依赖性，并提供了基于形态和磨损轨迹的EDS分析的腐蚀和摩擦不稳定性解释。
章节片段
材料
作为基底使用了尺寸为150 mm × 40 mm × 4 mm的商用冷轧08Al钢板。选择商用T1纯铜芯线（外径：2.5 mm，内径：1.5 mm）作为电弧喷涂的原料。内部芯由Monel 400和纯铜的粉末混合物组成。在沉积之前，使用氧化铝磨料带（线速度：25 m/s，接触压力：50 N）对基底进行机械研磨，以去除表面氧化层。
截面形态
图3比较了典型成分涂层（M0、M30和M50）在喷涂态和1000°C退火态下的截面形态和局部元素分布。为了避免重复说明，考虑到中间成分（M10、M20和M40）的微观结构演变趋势与代表性样品一致，因此文中仅选择了M0、M30和M50进行展示。
如图3(a, a1)所示，喷涂后的纯铜
结论
本研究通过电弧喷涂-退火-轧制工艺成功制备了不同Monel含量的致密Cu-Monel复合涂层。通过轧制引起的微观结构调控，改善了Cu-Monel复合涂层的耐腐蚀性和耐磨性。结论如下：
- (1)
通过电弧喷涂-退火-轧制工艺，Cu-Monel复合涂层获得了致密的微观结构和良好的界面结合。退火处理促进了Cu和Ni的元素扩散。
CRediT作者贡献声明
陈家宽：撰写——原始草稿、方法学、数据分析。倪迅：方法学、研究。孔德豪：撰写——审稿与编辑、监督、方法学、研究。赵振庄：研究。翟瑞雄：研究。熊一金：研究。刘成浩：研究。黄泰宏：研究。宋鹏：监督、方法学、研究、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了云南省重大科技项目（编号：202502AB080021）、云南省贵金属实验室科技项目（编号：YPML-20240502056）和云南省基础研究项目（资助编号：202401CF070146）的支持。
