极地船舶用激光熔覆多主元素合金涂层的耐磨性与抗腐蚀性：晶界特性与钝化行为的作用

《Surface and Coatings Technology》：Wear and corrosion resistance of laser-cladded multi-principal-element alloy coatings for polar ship applications: Role of grain boundary characteristics and passivation behaviour

　　

黄世宇|谭伟|杨松浦|金凌浩|徐嘉成|郭娜|郭张伟|刘涛

中国上海，上海海事大学海洋科学与工程学院

摘要

随着极地航运路线的快速发展，EH40造船用钢日益受到氯化物引起的腐蚀以及冰粒带来的高接触应力所导致的复合降解作用。本研究通过激光熔覆在EH40钢表面制备NiCoCr和FeCoNiCr涂层，以提高其在极地海洋环境中的耐久性。研究系统评估了这些涂层的微观结构、硬度、人工海水中的磨损行为以及耐腐蚀性能。结果表明，两种涂层均为单一的面心立方固溶体。NiCoCr涂层的微观结构更为致密，硬度也更高（245?HV），而FeCoNiCr涂层的硬度为179?HV。不过，在人工海水中，FeCoNiCr涂层的耐磨性最佳，其体积损失最小（2.21?×?10^?3?mm³），磨损痕迹也最浅。这种优异的耐磨性能得益于其较高的低角度晶界比例，这类晶界有助于在滑动过程中实现局部塑性变形，减少应力集中和裂纹萌生，同时还能抑制大块碎屑的脱落及由碎屑引发的磨蚀。电化学测试结果显示，NiCoCr涂层的耐腐蚀性最强，其被动电流密度明显低于FeCoNiCr涂层（分别为1.77?×?10^?6 A·cm^?2和3.55?×?10^?5 A·cm^?2）。NiCoCr涂层还表现出最大的膜电阻和电荷转移电阻，说明其具有更完善的保护性被动膜。莫特-肖特基分析进一步表明，NiCoCr涂层的被动膜更为致密且缺陷更少，这体现在双对数斜率为?0.75、平带电位更为负值（?0.623?V）以及载流子密度更低。总体而言，NiCoCr涂层更侧重于耐腐蚀性能的提升，而FeCoNiCr涂层则更注重耐磨性的优化。

引言

随着全球对北极航线开发的日益重视，船舶部件在恶劣的极地海洋环境中的长期可靠性面临着严峻挑战。极地的复杂环境，包括低温和冰层作用，会使高强度造船用钢等关键结构材料遭受严重的腐蚀和机械磨损[1]、[2]、[3]。这种双重降解机制会显著加速材料失效，不仅威胁到航行安全，还会造成巨大的经济损失[4]、[5]、[6]。因此，开发能够同时提升耐腐蚀性并减轻腐蚀介质中磨损的表面强化技术，对于延长极地海洋设备的服役寿命至关重要[7]、[8]。

人们从环境因素和失效机制的角度研究了造船用钢在极地海洋环境中的降解行为。虽然低温通常会降低电化学反应速率，但极地海水中的腐蚀速率并不一定呈单调下降趋势。实际上，它还受到溶解氧、海冰形成过程中的氯化物富集、冻融循环以及表面电解质膜的稳定性等多种因素的影响[9]、[10]。此外，一些特殊的极地微生物还会改变金属与电解质的界面，从而加剧局部点蚀现象[11]。低温还会影响造船用钢的摩擦学性能。当环境温度从20?°C降至?20?°C时，FH40钢的干摩擦系数和磨损量都会显著增加[12]。在腐蚀和磨损同时存在的情况下，材料降解的程度远远超过这两种作用单独作用时的叠加效应[13]、[14]。对于不同等级的造船用钢，腐蚀引起的磨损占比可达到总材料损失的18%至68%[15]。这些研究结果表明，极地造船用钢的服役降解是由机械损伤、电化学溶解以及表面膜演变等多种因素共同作用的结果。

表面改性是一种提升造船用钢耐久性的有效策略。在各种改性技术中，激光熔覆因其能够沉积出具有良好冶金结合力且微观结构可控的高性能涂层而备受关注[16]。研究表明，激光熔覆在EH36/EH40系列高强度钢表面的涂层，能够在不损害基体优异力学性能的前提下，提高其表面硬度和耐久性[17]。以钴铬镍系和铁钴镍铬系为主的多元合金，已被视为极具应用前景的涂层材料。它们的面心立方固溶体结构能够在韧性、耐腐蚀性和变形能力之间实现最佳平衡[17]、[18]。人们通过合金设计或引入硬质陶瓷相，不断努力提升这类合金的硬度、强度以及耐腐蚀和耐磨性能[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。然而，添加额外的合金元素或陶瓷增强相可能会使材料的相组成、界面稳定性以及钝化行为变得更加复杂。相比之下，成分较为简单的面心立方多元合金涂层，为研究微观结构特征如何影响材料的耐磨性和耐腐蚀性提供了理想的模型体系。

本研究通过激光熔覆技术在EH40钢基体上制备了NiCoCr和FeCoNiCr涂层，同时将未经处理的EH40基体作为对照样本。研究分析了这些材料在腐蚀介质中的相组成、微观结构形态、晶体学特征、耐腐蚀性能以及磨损表现。通过将微观结构特征与宏观性能联系起来，阐明了影响材料耐磨性和耐腐蚀性的内在机制。期望这些研究成果能为在极地海洋环境中使用的造船用钢的激光熔覆多元合金涂层的设计与应用提供参考。

章节节选

材料及基本性能表征

本研究以市售的EH40造船用钢板作为基体，通过激光熔覆技术成功制备了NiCoCr和FeCoNiCr涂层。具体的工艺参数设置为：激光功率为2.0?kW，扫描速度为8?mm/s，粉末供给速率为20?g/min，光斑直径为2.5?mm，由此产生的线能量密度为160?J/mm。在如此设定的参数下，涂层与基体之间的稀释比例可控制在10%以下。

相组成分析及硬度检测

图2展示了EH40基体以及激光熔覆后的NiCoCr和FeCoNiCr涂层的XRD图谱。EH40钢呈现出高强造船用钢典型的体心立方相。而NiCoCr和FeCoNiCr涂层则为单一相的面心立方固溶体。在这类多元合金中，稳定面心立方相的形成主要得益于较高的构型熵效应。

结论

本研究通过激光熔覆技术在EH40造船用钢表面成功制备了NiCoCr和FeCoNiCr涂层，以此提升其在极地海洋环境中的使用耐久性。研究系统分析了基体及各类涂层的微观结构、显微硬度、人工海水中的磨损行为以及电化学耐腐蚀性能。主要结论如下：

• 1)
  EH40基体主要以铁素体为主，同时还含有珠光体和粒状贝氏体。NiCoCr和FeCoNiCr涂层则

作者贡献说明

黄世宇：论文撰写——初稿撰写、方法设计、实验研究、资金申请、数据整理。谭伟：结果验证、实验研究。杨松浦：实验研究。金凌浩：数据整理。徐嘉成：结果验证。郭娜：资源协调。郭张伟：方法设计。刘涛：项目指导、资金申请。

未引用参考文献

[58]

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

作者衷心感谢中国国家自然科学基金（编号：52401099）、中国机械工程学会青年精英科学家扶持计划（编号：YESS20240747）以及上海市自然科学基金（编号：24ZR1427800）的资助。