沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕性流體之間由于相對運動而引起的金屬損壞現象，是材料受沖刷和腐蝕交互作用的結果[1]。沖刷腐蝕環境廣泛存在于石油、化工領域，嚴重影響運輸管道、葉輪及閥門等設備構件的服役壽命。為避免和降低以上損害，可以通過表面處理方法來改善設備表面的力學和耐腐蝕性能。常用的表面處理技術包括等離子噴涂、氣相沉積、激光熔覆技術等。其中，激光熔覆技術是一種通過高能量密度激光熔化基材表面和熔覆材料并使其形成冶金結合熔覆層的新型表面處理方法。激光熔覆層的制備方法分別為同步送粉法和預置涂覆法[2]。使用激光熔覆技術制備的熔覆層具有優異的力學性能、耐蝕性及優良的界面結合強度[3,4]。Xu等[5]認為，與等離子噴涂相比，激光熔覆工藝具有更高的效率，所獲熔覆層的微觀組織也更加精細。Pei等[6]研究認為，激光熔覆層與基體之間的界面區冶金結合良好。

基于上述分析可知，鎳基激光熔覆層在復雜沖刷腐蝕環境中具有較好的應用前景，對其進行沖刷腐蝕行為的研究尤為必要。進行沖刷腐蝕實驗的常用研究方法包括管流式、噴射式及旋轉式。Zheng等[7]采用噴射式實驗方法研究了鐵基非晶合金涂層的沖刷腐蝕行為，并通過失重法和電化學方法評估了其在含固相顆粒、不同沖擊角及不同流速條件下的沖刷腐蝕行為。張大偉等[8]利用旋轉式實驗設備測試了鎳基復合熔覆層的抗沖刷腐蝕性能，并認為其與熔覆層組織及韌化性直接相關。劉國宇等[9]通過自制旋轉式試驗機證明了沖刷腐蝕速率受沖刷角、流體流速及溫度等多因素的影響。Tian等[10]通過旋轉式沖刷腐蝕實驗觀察到，沖刷角效應是流體正應力和剪切應力共同作用的結果，其中，前者可以通過直接作用于樣品表面而使其產生裂紋或孔隙，后者則可以使表面膜層變薄或去除。姚新陽等[11]采用噴射式試驗機研究了沖蝕介質pH值對激光熔覆鈷基合金熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。經過學者多年的努力，在材料沖刷腐蝕實驗的開展及機理分析上均已積累了一定的基礎。然而，就鎳基激光熔覆層而言，其沖刷腐蝕行為的系統研究還較少，限制了該類熔覆層的推廣應用。近幾年，Chen等[12,13]利用射流沖擊系統研究了多種因素下鎳基激光熔覆層的沖刷腐蝕行為，并揭示其與流體的沖刷速度及流體沖擊下熔覆層表面出現鈍化和去鈍化兩個過程有關。

本文為研究流體剪切應力、正應力及固相顆粒對鎳基激光熔覆層沖刷腐蝕行為的影響，采用自制管流式沖刷腐蝕試驗機，對鎳基激光熔覆層在不同沖刷角及固相顆粒存在條件的沖刷腐蝕行為進行了研究，所獲研究結果對該類熔覆層的實際應用具有支撐和參考價值。

1 實驗方法

采用高功率半導體激光器在Q235碳鋼基材上通過預置涂覆法制備鎳基激光熔覆層。Q235碳鋼基材的化學組成 （質量分數，%） 為：Si 0.37，Mn 0.08，C 0.16，S 0.04，P 0.04，Fe余量。熔覆材料為鎳基合金粉末，其化學組成 （質量分數，%） 為：Cr 21，Mo 13，Fe 5，W 5，Ni余量。激光熔覆過程中所使用的激光功率為3000 W，掃描速率為6 m/s，光斑直徑為8 mm，搭接率為35%。用線切割的方法將熔覆后的樣品切割成尺寸為10 mm×10 mm×4 mm的塊狀試樣，用240~2000#的SiC水性砂紙對熔覆層表面進行打磨，并對磨制后的表面用粒度為1 μm的剛玉粉末進行拋光處理，然后再依次用無水乙醇和蒸餾水清洗熔覆層表面并吹干，除待測10 mm×10 mm熔覆層表面，其余面用硅橡膠覆蓋。此外，用王水對試樣表面進行腐蝕以利于熔覆層表面微觀組織的觀察。

采用自制管流式沖刷腐蝕試驗機對處理后的激光熔覆層試樣進行沖刷腐蝕實驗，試驗機的結構設計如圖1所示。在沖刷腐蝕實驗進行時同步進行電化學測試。采用CS310型電化學工作站進行電化學測試，測試時使用三電極體系，Pt片為輔助電極，飽和甘汞為參比電極，試樣為工作電極。沖刷介質為3.5% （質量分數） NaCl溶液和含有6 kg/m3不規則SiO2顆粒 （~75 μm） 的NaCl溶液。表1為沖刷腐蝕實驗條件匯總。由于實驗裝置的限制，沖刷速度選擇1 m/s。在正式開始沖刷腐蝕實驗之前，預先沖刷30 min獲得穩定的流速后同步進行電化學測試。在獲得穩定開路電位后測試試樣的電化學阻抗譜 （EIS） 及動電位極化曲線，并討論固相顆粒和沖刷角度對熔覆層沖刷腐蝕行為的影響。利用裝配有能譜儀 （EDS） 的掃描電子顯微鏡 （SEM，Zeiss） 分析單相流中不同沖刷角度條件下鎳基激光熔覆層的表面形貌。

圖1   管流式沖刷腐蝕試驗機結構示意圖

2 結果與討論

2.1 涂層微觀組織

圖2是在SEM下觀察的熔覆層橫截面顯微形貌圖。可以看出，熔覆層的厚度約為1 mm；同時，碳鋼基體和熔覆層之間存在明顯的界面，且界面結合良好。圖3為利用試樣實際表面及截面顯微組織形貌圖構建的熔覆層三維結構圖。可以看出，熔覆層幾乎不存在明顯的孔隙和裂紋等缺陷，涂層的顯微結構主要是由枝狀晶和枝間共晶組織組成，主干樹枝晶的周圍能看出延伸的二次枝晶臂。晶體的形態主要取決于溫度梯度 （G） 和凝固速率 （R） 以及G/R比值[14]。截面形貌顯示，從熔覆層/基體界面到熔覆層頂部區域，G/R比值不斷減小。涂層底部晶體的生長方式以柱狀樹枝晶為主，越靠近熔覆層頂部區域，較慢冷卻速率為二次枝晶的生長創造了條件，故二次枝晶組織越多。同時，熔覆層上表面的微觀組織通常是等軸的胞狀結構，主要由初晶相和周圍的共晶網絡組成。從EDS分析結果可以看出，Ni主要富集于初晶相中，而Cr、Mo、W等元素主要分布在共晶相中。此外，熔覆層與基體間存在一過渡區，該區的出現表明熔覆層與碳鋼基體形成了良好的冶金結合[15]。

圖2   鎳基激光熔覆層截面顯微形貌

圖3   鎳基激光熔覆層微觀組織形貌

2.2 熔覆層沖刷腐蝕行為

2.2.1 電化學阻抗譜

EIS測量是分析材料電化學行為的一種非破壞性方法。圖4為試樣在穩定開路電位下測量的Nyquist曲線。其中，圖4a是在流速為1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同沖刷角條件下的Nyquist曲線。可以看出，沖刷角為45°的條件下，熔覆層Nyquist曲線的容抗弧半徑最小，表明該條件下熔覆層的耐蝕性較其他沖刷角條件下的低。沖刷角為0°和90°兩種條件下，熔覆層Nyquist曲線的容抗弧半徑相差較小，但在90°下容抗弧半徑略小，說明該條件下熔覆層耐蝕性較差，表明流體對熔覆層表面所產生的正應力對熔覆層的損傷作用更大。圖4b為熔覆層在流速為1 m/s、沖刷角為45°條件下加入SiO2固相顆粒與否的Nyquist曲線。由圖4b可知，熔覆層在含固相顆粒流體中的容抗弧半徑較小，表明由于固體顆粒對熔覆層表面附加的正應力及剪切力進一步惡化了腐蝕過程。

圖4   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液沖刷中的Nyquist曲線

2.2.2 動電位極化曲線分析

圖5為熔覆層在沖刷腐蝕過程中的動電位極化曲線。表2為采用Tafel外推法利用電化學測試系統自帶擬合軟件計算獲得的各沖刷角條件下熔覆層的自腐蝕電位 （Ecorr） 和自腐蝕電流密度 （Icorr）。其中，Ecorr表示從熱力學角度分析材料的腐蝕傾向，Icorr從動力學角度分析材料的腐蝕速率。圖5a為熔覆層在流速為1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同沖刷角條件下的動電位極化曲線。由圖5a可以看出，隨著沖刷角從0°到90°變化，熔覆層的Ecorr先變負后變正，其Icorr先增加后減小，表明熔覆層的腐蝕速率先增加后減小。在沖刷角為45°條件下，熔覆層的Ecorr最負、Icorr最大，說明耐蝕性最弱。以上現象與0°~45°時隨沖刷角的增加逐漸增大的正應力與逐漸減小的切應力的協同效應有關。正應力作用使熔覆層表面的變形加劇，而切應力則促使材料表面減薄和去除，導致材料新的表面不斷暴露，正應力和切應力的協同作用導致以上材料破壞過程加劇。此外，從45°~90°時沖刷角的增加會導致正應力的不斷增加，剪切應力的不斷減小。熔覆層在沖刷角為0°與90°時，前者得到的Icorr大于后者，同時其腐蝕傾向也較大，說明剪切力在熔覆層損傷中占主導作用。該處所獲熔覆層損傷的主導作用力與基于Nyquist曲線分析所獲的結果相反，主要原因可能在于切應力容易導致熔覆層表面產生溝槽而變粗糙，導致比表面積增大，進而使Nyquist曲線容抗弧半徑增大。圖5b是熔覆層在沖刷角為45°、流速為1 m/s條件下在含與不含SiO2固相顆粒的NaCl溶液中的動電位極化曲線。由圖5b和表3可知，加入固體顆粒后，熔覆層的Ecorr變負、Icorr增加，表明耐腐蝕性能減小。在同一流速帶來的動力條件下，不規則固相顆粒作用于熔覆層表面時更易產生機械損傷。

圖5   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線

2.2.3 沖刷腐蝕形貌

熔覆層在3.5%NaCl溶液中沖刷后的形貌如圖6所示。其中，圖6a是熔覆層在沖刷角為0°時的腐蝕形貌，其表面在流體所引起的剪切力作用下形成長窄型溝壑形貌。圖6b顯示了熔覆層在沖刷角為45°時的腐蝕形貌，其特點是熔覆層表面出現凹坑且寬度大于其在沖刷角為0°時產生的溝槽。這是由于在沖刷角為45°時，熔覆層表面不但受到切應力的切削作用使表面減薄，而且受到正應力作用使減薄處發生塑性變形而產生凹坑。圖6c則為熔覆層在沖刷角為90°時的腐蝕形貌，其表面出現明顯凹坑，深度大于其在沖刷角為45°時的凹坑深度，原因在于正應力單獨作用使熔覆層表面受到沖擊動能達到最大，因此涂層吸收能量產生的塑性變形程度也最大。以上分析表明，熔覆層沖刷腐蝕形貌與其表面所受流體作用力的種類直接相關。

圖6   鎳基激光熔覆層在3.5%NaCl溶液中沖刷腐蝕后的微觀形貌

3 結論

（1） 熔覆層由初晶相 （富含Ni） 和周圍的共晶組織 （富集Cr、Mo、W等元素） 組成；熔覆層表面以胞狀晶為主，內部則包含柱狀的枝晶凝固以及二次枝晶臂等微觀組織。

（2） 在沖刷角為0°，45°和90°時，由于正應力和切應力的協同效應，使熔覆層在沖刷角為45°時耐蝕性最弱。沖刷腐蝕過程中，切應力對熔覆層表面主要以產生溝槽的形式損傷，而正應力則容易致使熔覆層表面塑性變形產生凹坑。

（3） 在流速和沖刷角不變時，加入SiO2固相顆粒時會帶來附加機械力作用，使熔覆層的耐蝕性進一步下降。