2024年5月27日发(作者：前歆然)

第48卷 第9期

2019年9月

表面技术

SURFACE TECHNOLOGY

·211·

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH

溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能

王井，何冰，罗京帅，员霄，蹤雪梅

（1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏 徐州 201004；

2.高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏 徐州 221004）

摘 要：目的 分析超音速火焰喷涂制备的Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能，揭示

涂层腐蚀及冲蚀腐蚀磨损失效机制。方法 利用超音速火焰喷涂技术在45#钢表面制备Cr

3

C

2

-NiCr金属陶瓷

涂层，采用光学显微镜、显微硬度仪、碱性环境腐蚀性能试验台、电化学分析仪、冲蚀腐蚀磨损试验机、

电子天平、扫描电子显微镜，分别对组织结构、显微硬度、碱性环境下耐蚀性能、耐冲蚀腐蚀磨损性能、

冲蚀腐蚀磨损损失质量及表面形貌进行测试。结果 Cr

3

C

2

-NiCr涂层呈典型层状结构，内部随机分布着孔隙

及氧化物，涂层孔隙率及显微硬度平均值分别为1.3%和817HV

0.1

。在pH=11的NaOH溶液中，涂层的电化

学腐蚀电位为0.38 V，腐蚀反应生成的氧化物可有效阻止腐蚀继续进行，长期浸泡过程中，腐蚀介质通过

裂纹或穿透性孔隙渗入涂层内部直至基体表面，并发生腐蚀反应，形成的腐蚀产物逐渐累积并排出至涂层

表面，最终形成体积较大且呈团絮状的腐蚀产物。在碱性腐蚀环境下，腐蚀介质加剧冲蚀磨损中的材料消

耗。相同条件下，涂层腐蚀冲蚀磨损损失质量明显小于基体材料，涂层的冲蚀腐蚀磨损失效机制主要有腐

蚀产物脱落、硬质颗粒剥落、粘结相磨耗、缺陷处因疲劳裂纹整体脱落。结论 在碱性环境中，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层具有较强的耐腐蚀性能，腐蚀介质能加快涂层冲蚀磨损进程，磨损后表面为非光滑表面，使涂层具有

较优的抗冲蚀磨损性能，故Cr

3

C

2

-NiCr涂层可显著改善基体表面的综合使用性能。

关键词：超音速火焰喷涂；Cr

3

C

2

-NiCr涂层；碱性环境；耐腐蚀；冲蚀腐蚀磨损；失效机制；非光滑表面

中图分类号：TG172 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2019)09-0211-07

DOI：10.16490/.1001-3660.2019.09.023

11,2111,2

Corrosion Resistance and Erosion-corrosion Wear Performance of

HVOF Sprayed Cr

3

C

2

-NiCr Coating in NaOH Solution

WANG Jing

1

, HE Bing

1,2

, LUO Jing-shuai

1

, YUAN Xiao

1

, ZONG Xue-mei

1,2

(u XCMG Construction Machinery Research Institute Co. Ltd, Xuzhou 201004, China;

Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xuzhou 221004, China)

ABSTRACT: The work aims to analyze the corrosion resistance and erosion-corrosion wear performance of HVOF sprayed

收稿日期：2018-12-23；修订日期：2019-02-23

Received：2018-12-23；Revised：2019-02-23

基金项目：国家重点研发计划（2018YFB1105800）；江苏省自然科学基金（BK20170246）

Fund：Supported by National Key Research and Development Program (2018YFB1105800) and Jiangsu Natural Science Foundation

(BK20170246)

作者简介：王井（1987—），男，硕士，主要研究方向为表面工程。

Biography：WANG Jing (1987—), Male, Master, Research focus: surface engineering.

通讯作者：蹤雪梅（1975—），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为表面强化与再制造工程。邮箱：jingwang0822@

Corresponding author：ZONG Xue-mei (1975—), Female, Master, Senior engineer, Research focus: surface strengthening and remanufacturing

engineering. e-mail: jingwang0822@

·212· 表 面 技 术 2019年9月

Cr

3

C

2

-NiCr coating in alkaline solution, and reveal the mechanisms of corrosion and erosion-corrosion wear. Cr

3

C

2

-NiCr

ceramic coating was deposited on the surface of 45# steel by high velocity oxy-fuel spraying (HVOF). The microstructure,

microhardness, corrosion resistance, erosion-corrosion wear performance in the alkaline environment, weight loss and surface

morphology were tested by optical microscopy (OM), microhardness tester, corrosion performance test bench in alkaline

environment, electrochemical analyzer, erosion-corrosion wear tester, electronic balance and scanning electron microscope,

respectively. Cr

3

C

2

-NiCr coating exhibited a typical layered structure and pores and oxides were randomly distributed among

the coating. The porosity and microhardness of the coating were 1.3% and 817HV

0.1

on average, respectively. In the NaOH

solution with pH=11, the electrochemical corrosion potential of Cr

3

C

2

-NiCr coating was 0.38 V. The oxides produced by the

corrosion reaction could effectively prevent the corrosion from proceeding. During long-term immersion, the corrosive medium

underwent a corrosion reaction with substrate after penetrating into the coating and substrate through the cracks or penetrating

pores. The corrosion products formed by the corrosion reaction were gradually accumulated and discharged to the surface of the

coating, thus eventually forming a bulky and flocculent corrosion product. In the alkaline corrosive environment, corrosion

medium could exacerbate material consumption in erosion wear. Under the same conditions, the weight loss of

erosion-corrosion wear of coating was significantly less than that of substrate material. The main failure mechanisms of

erosion-corrosion wear of Cr

3

C

2

-NiCr coating were falling of corrosion products, spalling of hard particles, abrasion of binder

phases, falling of the defects due to fatigue cracks. In alkaline environment, Cr

3

C

2

-NiCr coating has strong corrosion resistance.

The corrosion medium can accelerate the erosion process of the coating, and the surface of the coating after wear is a

non-smooth surface. Due to the non-smooth surface, the coating has excellent erosion wear resistance. Therefore, Cr

3

C

2

-NiCr

coating can significantly improve the comprehensive performance of the substrate surface.

KEY WORDS: Cr

3

C

2

-NiCr coating; alkaline environment; corrosion resistance; erosion-corrosion wear; failure

mechanism; non-smooth surface

土压平衡顶管施工技术具有施工周期短、环境影

响小等优点，广泛应用于市政给排水、通信电缆等地

下管线施工中

[1-2]

。施工过程中，土仓内的土主要以

含水量较多的泥浆排出。由于泥浆中存在大量的硬质

颗粒，且具有一定的碱性腐蚀作用，造成泥浆输送管

路中的泥浆阀长时间受到泥浆腐蚀及硬质颗粒的冲

蚀作用，常面临因冲蚀腐蚀磨损而失效的问题。因此，

利用表面涂层技术提高零件表面抗冲蚀磨损性能越

来越得到广泛应用

[3-4]

。

超音速火焰喷涂技术的焰流速度高、喷涂粒子速

度高、动能高，可制备高致密度、高结合强度的涂层，

且涂层内部及与基体间的结合区产生压应力，被广泛

应用于碳化物金属陶瓷涂层制备

[5-6]

。超音速火焰喷

耐蚀性及

涂Cr

3

C

2

-NiCr金属陶瓷涂层具有孔隙率低、

耐磨性好等优点

[7-15]

，越来越广泛地被用作阀门、活

塞等耐冲蚀构件的防护涂层。近年来关于超音速火焰

喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层性能研究的报道呈逐渐增多的

趋势，Espallargas N

[9]

、GUILEMANY J M

[10]

等对超

音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在3.4%NaCl溶液中的

腐蚀性能及机理进行了研究，认为涂层在该腐蚀环境

下具有较优的耐腐蚀性能。郭稷

[11]

、Suegama P H

[12]

等利用电化学研究方法，分析Cr

3

C

2

-NiCr涂层在

3.5%NaCl溶液、0.5%H

2

SO

4

溶液中的腐蚀及电化学

行为，进一步证明了涂层在中性环境下具有较好的耐

蚀性，但均未研究Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境下的耐

蚀性能。纪岗昌

[13]

、Ha Pham Thi

[14]

、王洪涛

[15]

等对

3.5%NaCl、5%H

2

SO

4

比分析了Cr

3

C

2

-NiCr涂层在水、

溶液中的冲蚀腐蚀磨损性能，结果表明，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层具有较好的抗冲蚀腐蚀磨损性能，且酸性介质中

涂层的腐蚀冲蚀率远大于其在水介质中的值，但未对

涂层在碱性环境中抗冲蚀腐蚀磨损性能进行研究，且

没有对磨损试样结构进行专门设计，磨损过程中试样

棱角处的基体磨损会给涂层磨损失重测试结果带来

误差，进而对分析结果造成影响。

目前，关于超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱

性环境下耐蚀及耐冲蚀腐蚀磨损性能的研究尚未见

报道，本文设计了专用的冲蚀腐蚀磨损试样结构，利

对涂层

用超音速火焰喷涂技术制备Cr

3

C

2

-NiCr涂层，

组织、显微硬度及碱性环境下耐蚀、耐冲蚀腐蚀磨损

性能进行研究，并探讨涂层在碱性环境下冲蚀腐蚀磨

损失效机制，为涂层应用于碱性环境下零件表面性能

的提升提供参考依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验基体材料采用直径为



140 mm、厚度为

8 mm的平板，材料为45#钢，对其表面进行除油、

除锈及喷砂处理。喷涂粉末材料为欧瑞康美科表面技

术（上海）有限公司生产的Cr

3

C

2

-NiCr粉末，分别包

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·213·

括硬质相Cr

3

C

2

和粘结相NiCr，其中NiCr含量约25%

（质量分数），Ni与Cr元素配比约为80%:20%，粉

末粒径范围为15～45 μm，粉末熔点约为1400 ℃，

硬质相Cr

3

C

2

的熔点约为1810 ℃。

1.2 试验方法

采用美国司太立JET KOTE Ⅲ超音速火焰喷涂

设备进行涂层制备，喷涂前采用全自动压缩式喷砂机

对平板基体进行预处理，喷砂材料为24目白刚玉。

以涂层孔隙率为评价指标，得出最优的喷砂及喷涂工

艺参数，如表1所示。

表1 喷砂、喷涂主要工艺参数

Tab.1 Main parameters of grit-blasting

and spraying technology

Process Parameters Values

Air pressure/MPa 0.7~0.9

Grit-blasting

Blasting distance/mm 200

Blasting speed/(mms

1

)

200

Blasting angle/(°) 90

Oxygen flow/(Lmin

1

)

451.2~458.25

Propylene flow/(Lmin

1

)

54.05~58.75

1

HVOF

Powder feed rate/(gmin)

60~65

Spray distance/mm 180

Spray speed/(mmmin

1

)

1100~1200

Layer thickness/mm 0.45

为模拟泥浆阀实际的使用工况，分别采用电化学

试验和浸泡试验，对所制备的Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#

钢基体分别进行碱性环境耐腐蚀性能测试。腐蚀溶液

采用片状的固态NaOH和蒸馏水配制而成，pH值为

11，采用pH计进行测定。电化学试验：采用CHI604C

电化学分析仪，对涂层和基体在NaOH溶液中的自腐

蚀电位进行测试。浸泡试验：采用自制的碱性腐蚀性

能试验台，将试样放入溶液槽中，溶液槽外部采用盐

浴炉进行加热，加热温度约为60 ℃，试验时间为

720 h，试验后将试样放置在清洁水中进行漂洗、烘干。

冲蚀腐蚀磨损试验采用张家口市诚信试验设备

制造有限公司生产的MSH型腐蚀磨损试验机，试验

装置如图1所示。试样装夹盘安装了4个用于装夹试

样的U型槽，通过调节U型槽安装角度，可调节试

样冲蚀面与装夹盘旋转线速度的夹角。参照U型槽

大小，试样尺寸设计为50 mm30 mm8 mm。同时，

装夹盘由电机通过皮带驱动做旋转运动，进而带动试

样运动。

试验过程中，涂层试样四周棱边处的基体会不断

受到砂粒的冲蚀腐蚀磨损作用。因此，为准确获得涂

层的磨损损失质量，避免由于棱边基体磨损造成的磨

损损失质量误差，设计了专用的试样结构，如图2所

示，主要包括左防护块、右防护块、中间防护块及用

图1 冲蚀腐蚀磨损试验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of erosion-corrosion test device

图2 冲蚀腐蚀磨损试样结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of erosion-corrosion wear sample

于称量的试样，称量的试样大小为40 mm20 mm

5 mm。首先，在试样表面制备特定厚度的涂层，并

磨削至表面光滑，再对左防护块、右防护块及称量试

样进行线切割，最后将上述部分重新组装，并采用钨

极氩弧焊接工艺将左防护块、右防护块分别与中间防

护块进行焊合，焊合位置应避开称量试样。同时，由

于设计了燕尾槽结构，从而可以防止试验过程中称量

试样发生脱落，且可以避免称量试样四周棱边基体发

生磨损。分别对45#钢和Cr

3

C

2

-NiCr涂层的冲蚀腐蚀

磨损性能进行测试分析，试样冲蚀面与装夹盘旋转线

速度间的夹角为90°，腐蚀介质为pH=11的NaOH溶

液和20目石英砂组成的混合液，二者体积比为1∶1，

均为5000 mL。试验参数如表2所示，试验后对试样

进行清洗、烘干。

表2 冲蚀腐蚀磨损试验参数

Tab.2 Erosion-corrosion wear test parameters

Parameters Values

Diameter of sample holder/mm 350

Speed of sample holder/(rmin

1

)

500

Impact speed of medium/(ms

1

)

9

Test time/min 120

1.3 表征与分析

采用线切割方法对原始喷涂层试样进行切样、镶

样、研磨和抛光，而后采用DMI5000M型倒置式金

相显微镜对喷涂层的组织及结构进行分析，并利用图

像处理软件对涂层内部的孔隙率进行测试。采用KB

显微维氏硬度仪对喷涂试样的纵截面显微硬度进行

·214· 表 面 技 术 2019年9月

测定，由涂层表面至基体每隔0.1 mm取点，载荷为

100 g，加载时间为15 s，每个试样测3次，取平均值。

冲蚀腐蚀磨损损失质量利用电子显微天平测得，分别

测量4个相同条件下试样的磨损损失质量并取平均

值。最后，采用Inspect S50钨灯丝扫描电子显微镜

对腐蚀后及冲蚀腐蚀磨损后的表面形貌进行分析。

2 结果与分析

2.1 涂层组织结构

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层的组织结构如

图3所示。由图3a可以看出，涂层组织呈典型的层

状结构，层间界面明显。这是由于飞行过程中的粉末

粒子及已形成的涂层与大气接触，表面易发生氧化形

成氧化层，即层间界面。由图3b涂层表面形貌及表3

能谱分析结果可以看出，涂层内部灰色部分为Cr

3

C

2

硬质相，白色部分主要为NiCr粘结相和氧化物。进

一步观察发现，层间界面呈凹凸不平分布形态，因为

粉末中NiCr相的熔点较低，在喷涂过程中与火焰作

用后迅速熔化，而粉末中Cr

3

C

2

相的熔点相对较高，

经火焰加热后，处于熔化与半熔化状态，即喷涂粉末

粒子在撞击工件表面前处于固-液两相混合状态。当

粉末粒子高速撞击到基体或已沉积涂层表面时，液态

粉末颗粒迅速沿基体表面向外铺展，形成表面平整的

扁平化涂层，而固态粉末颗粒由于变形不充分而直接

嵌入已形成的扁平化涂层中，形成局部凸峰。随着粉

末颗粒不断沉积，最终形成表面形貌呈凹凸不平分布

形态的涂层。同时，由于粉末粒子变形不充分，沉积

过程中产生不完全重叠，进而在涂层内部形成孔隙，

经测试，涂层孔隙率约为1.3%。

图3 Cr

3

C

2

-NiCr涂层组织结构

Fig.3 Microstructure of Cr

3

C

2

-NiCr coating: a) metallographic structure of coating, b) surface morphologies of coating

表3 Ⅰ、Ⅱ点能谱分析

Tab.3 EDS spectra of positionⅠandⅡ

Element

Position Ⅰ

Position Ⅱ

C

wt%

20.31

6.36

at%

52.50

17.59

wt%

78.56

47.16

Cr

at%

46.91

30.13

wt%

1.13

28.96

Ni

at%

0.6

16.39

wt%

17.19

O

at%

35.70

2.2 涂层碱性环境耐腐蚀性能

图4为Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体在pH=11

的NaOH溶液中的动电位极化曲线，可以看出，自腐

蚀电位分别为0.38 V和0.51 V，说明Cr

3

C

2

-NiCr涂

层的腐蚀倾向性小于45#钢基体材料。同时，涂层的

自腐蚀电位高于涂层在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电

位0.55 V

[11]

及0.5%H

2

SO

4

溶液中的自腐蚀电位0.8

进一步说明Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境的耐蚀

V

[12]

，

性能优于在中性及酸性环境中。

图5为Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性溶液中经过720 h

浸泡腐蚀后的表面微观形貌，可以看出，涂层表面经

预处理所形成的加工纹路仍较清晰，即涂层表面没有

图4 Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体在pH=11

的NaOH溶液中的极化曲线

Fig.4 Polarization curves of Cr

3

C

2

-NiCr coating and 45#

substrate in pH=11 NaOH solution

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·215·

图5 Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中腐蚀后的微观形貌

Fig.5 Micromorphology of Cr

3

C

2

-NiCr coating

corroded in NaOH solution

发现大面积腐蚀产物，说明Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH

溶液中具有较强的耐腐蚀性能。进一步观察发现，腐

蚀后涂层表面特征主要包括体积较大且呈团絮状的

物体、沿磨痕方向分布的小体积颗粒状物体及平整的

表面，分别选取上述特征部位的典型位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

进行能谱分析，结果如表4所示。位置Ⅰ的团絮状物

体内部含有Fe、Na元素，可以说明该物体是基体与

腐蚀溶液发生腐蚀反应而生成的腐蚀产物，其产生的

原因是由于涂层表面经磨平后，局部区域裂纹或穿透

性孔隙显露出来，腐蚀介质得以进入涂层内部，并不

断渗入直至基体表面。随着腐蚀时间的延长，生成的

腐蚀产物逐渐累积，并不断排出至涂层表面，最终形

成体积较大且呈团絮状的腐蚀产物。位置Ⅱ、Ⅲ均含

有O元素，说明涂层表面发生了腐蚀反应，腐蚀产

物主要为Cr和Ni的氧化物。同时位置Ⅱ的O元素

含量高于位置Ⅲ，其主要原因是位置Ⅱ磨痕处的波峰

位置能提供比其他位置更高的电化学特性，使得磨痕

波峰处表面更加容易与腐蚀介质发生反应

[16]

，生成更

多的氧化物。而位置Ⅲ处经预处理后较为平整，无明

显波峰，其表面发生腐蚀反应后生成的氧化物可有效

阻止腐蚀反应继续进行，所形成的腐蚀产物较少。另

外，位置Ⅱ还测得少量的Na、Fe元素，其原因是部

分腐蚀介质结晶及位置Ⅰ处腐蚀产物中的Fe元素游离

表4 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点能谱分析

Tab.4 EDS spectra of position Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ

Element

Position Ⅰ Position Ⅱ Position Ⅲ

wt% at% wt%at% wt% at%

C 9.53 19.11 10.9526.72 11.7732.32

O 37.88 56.50 32.4541.38 8.1316.77

Na 1.66 1.59 0.300.27

Cr 22.13 9.92 51.4329.68 72.0645.71

Fe 25.76 11.07 0.460.17

Ni 2.12 0.87 4.271.53 5.613.15

于腐蚀介质并发生沉积所致。

2.3 涂层耐冲蚀腐蚀磨损性能

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层试样的纵截面

显微硬度如图6所示，可以看出，喷涂层的平均显微

硬度约为817HV

0.1

，较基体238.5HV

0.1

的平均显微硬

度有较大幅度提升。

图6 Cr

3

C

2

-NiCr涂层纵截面显微硬度

Fig.6 Cross section microhardness of Cr

3

C

2

-NiCr coating

45#钢基体和Cr

3

C

2

-NiCr涂层的冲蚀腐蚀磨损损

失质量测试结果如表5所示。可以看出，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层的冲蚀腐蚀磨损损失质量较原基材有较大幅度

的降低，即Cr

3

C

2

-NiCr涂层可有效提高基体表面抗冲

蚀腐蚀磨损性能。

表5 冲蚀腐蚀磨损损失质量

Tab.5 Weight loss of erosion-corrosion wear

mg

MaterialSample 1Sample 2 Sample 3 Sample 4Average

45# steel132.7148.5 136.9 144.1140.5

Cr

3

C

2

-NiCr25.731.4 28.7 28.328.5

为进一步对比分析Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体

的抗冲蚀腐蚀磨损性能，对磨损后试样表面微观形貌

进行观察，结果如图7所示。同时，对Cr

3

C

2

-NiCr

涂层磨损表面进行EDS元素含量线扫描分析，结果

显示主要元素为Cr和Ni，其原因是经过砂粒的不断

撞击，涂层表面的磨痕、腐蚀产物及结晶物逐渐脱落，

原涂层组织逐渐显露，形成较平整的表面。涂层表面

随机分布着许多体积较小的多边形凹坑及少数体积

较大的凹坑。同时，涂层局部区域还产生了短程裂纹，

其延伸方向及长度各不相同。故可以认为，裂纹是由

于冲蚀腐蚀磨损过程中，涂层表面局部区域在砂粒撞

击下，内部应力不断累积，最终超过了涂层内部结合

强度而产生的。此外，对涂层表面附着的白色颗粒进

行能谱分析，发现含有大量的Si元素，故可以确认

是嵌入至涂层的残留砂粒。

由图7b可以看出，45#钢基体经过冲蚀腐蚀磨损

·216· 表 面 技 术 2019年9月

图7 试样冲蚀腐蚀磨损后的微观形貌

Fig.7 Micromorphology of samples after erosion-corrosion wear: a) Cr

3

C

2

-NiCr coating, b) 45# steel

后，其表面随机分布着大量细小的凹坑，局部区域产

生了体积较大的剥落坑，与Cr

3

C

2

-NiCr涂层相比，表

面更粗糙，其原因是由于基体硬度较低，其表面在砂

粒撞击作用下易形成塑性变形凹坑，凹坑边缘的凸起

材料由于砂粒的循环剪切作用而脱落，进而造成凹坑

逐渐变小直至消失，且在冲蚀腐蚀磨损过程中，此过

程不断循环。另一方面，试样表面与腐蚀介质相互作

用形成氧化物，其抵抗砂粒的冲蚀能力低于基体材

料，将进一步加剧基体表面的冲蚀腐蚀磨损。

2.4 涂层在碱性环境中冲蚀腐蚀磨损失效

机制

图8为冲蚀腐蚀磨损过程中Cr

3

C

2

-NiCr涂层与砂

粒相互作用机制分析图，由于冲蚀试样转速较高，溶

液槽内腐蚀介质在试样作用下形成复杂流场，进而带

动砂粒做无规则运动，其撞击涂层表面的攻角也各不

相同，因此可以将砂粒对涂层的撞击力F分解为垂直

于涂层表面的作用力F

1

和平行于涂层表面的作用力

F

2

，作用力F

1

和F

2

对涂层表面的作用机制分别表现

为锤击和犁削

[17-18]

。

由以上讨论可知，Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境中

易形成氧化物，能有效提升涂层的抗腐蚀性能，且涂

层中碳化物的抗腐蚀性能更优，故涂层表面腐蚀主要

发生在NiCr粘结相处。而在冲蚀腐蚀磨损过程中，

由于F

1

和F

2

的循环作用，涂层表面腐蚀生成的氧化

物逐渐被破坏，直至丧失保护作用，活性表面不断显

露出来，更容易与腐蚀介质发生腐蚀反应，从而加剧

腐蚀介质对涂层表面的腐蚀作用。由于腐蚀产物的抗

冲蚀腐蚀磨损性能低于原涂层，因此腐蚀作用将加快

粘结相NiCr的磨耗进程，同时还造成硬质相周围粘

结力及连接界面面积不断减少，最终导致硬质相的脱

落，因此腐蚀介质能加快涂层冲蚀腐蚀磨损进程。随

着冲蚀腐蚀磨损不断进行，硬质相的脱落导致涂层表

面形成许多体积较小的多边形凹坑，另一方面，涂层

浅表层在作用力F

1

的循环撞击下会产生疲劳应力，

并不断累积，最终在涂层内部孔隙、微裂纹等缺陷区

域产生疲劳裂纹，且该区域涂层的抗压强度及结合强

度相对较低，在作用力F

2

的犁削下易发生整体剥落，

形成大体积凹坑。同时，由于腐蚀介质较强的穿透和

渗入作用，将加速缺陷区域处裂纹的产生，促进裂纹

扩展

[16]

。

由图8还可以看出，涂层经过冲蚀腐蚀磨损后，

其纵截面方向的表面轮廓如黑色粗线所示，呈典型的

非光滑表面，凸起的硬质相可以有效地阻碍砂粒沿平

行于涂层表面的运动，降低F

2

对涂层表面粘结相的

犁削作用，有效提升涂层抵抗冲蚀磨损性能

[19]

，进而

提升基体表面的抗冲蚀磨损性能。

图8 冲蚀腐蚀磨损过程中Cr

3

C

2

-NiCr涂层与

砂粒间相互作用机制

Fig.8 Interaction mechanism between Cr

3

C

2

-NiCr coating

and sand during erosion-corrosion wear

3 结论

1）超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层呈典型的层

状结构，内部随机分布着孔隙及氧化物，层间界面呈

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·217·

凹凸不平分布形态。涂层孔隙率约为1.3%，显微硬

度平均为817HV

0.1

，较原基材大幅提升。

2）涂层在pH=11的NaOH溶液中的腐蚀电位为

0.38 V，表面因腐蚀生成的氧化物可有效阻止腐蚀

继续进行，长期浸泡过程中，碱性腐蚀介质通过局部

区域裂纹或穿透性孔隙渗入至基体并发生腐蚀反应。

3）相同条件下，涂层冲蚀腐蚀磨损损失质量明

显小于基体材料，腐蚀介质能加快涂层冲蚀磨损进

程，涂层的冲蚀腐蚀磨损失效机制主要有腐蚀产物脱

落、硬质颗粒剥落、粘结相磨耗、缺陷处因疲劳裂纹

整体脱落。

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2024年5月27日发(作者：前歆然)

第48卷 第9期

2019年9月

表面技术

SURFACE TECHNOLOGY

·211·

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH

溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能

王井，何冰，罗京帅，员霄，蹤雪梅

（1.江苏徐工工程机械研究院有限公司，江苏 徐州 201004；

2.高端工程机械智能制造国家重点实验室，江苏 徐州 221004）

摘 要：目的 分析超音速火焰喷涂制备的Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能，揭示

涂层腐蚀及冲蚀腐蚀磨损失效机制。方法 利用超音速火焰喷涂技术在45#钢表面制备Cr

3

C

2

-NiCr金属陶瓷

涂层，采用光学显微镜、显微硬度仪、碱性环境腐蚀性能试验台、电化学分析仪、冲蚀腐蚀磨损试验机、

电子天平、扫描电子显微镜，分别对组织结构、显微硬度、碱性环境下耐蚀性能、耐冲蚀腐蚀磨损性能、

冲蚀腐蚀磨损损失质量及表面形貌进行测试。结果 Cr

3

C

2

-NiCr涂层呈典型层状结构，内部随机分布着孔隙

及氧化物，涂层孔隙率及显微硬度平均值分别为1.3%和817HV

0.1

。在pH=11的NaOH溶液中，涂层的电化

学腐蚀电位为0.38 V，腐蚀反应生成的氧化物可有效阻止腐蚀继续进行，长期浸泡过程中，腐蚀介质通过

裂纹或穿透性孔隙渗入涂层内部直至基体表面，并发生腐蚀反应，形成的腐蚀产物逐渐累积并排出至涂层

表面，最终形成体积较大且呈团絮状的腐蚀产物。在碱性腐蚀环境下，腐蚀介质加剧冲蚀磨损中的材料消

耗。相同条件下，涂层腐蚀冲蚀磨损损失质量明显小于基体材料，涂层的冲蚀腐蚀磨损失效机制主要有腐

蚀产物脱落、硬质颗粒剥落、粘结相磨耗、缺陷处因疲劳裂纹整体脱落。结论 在碱性环境中，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层具有较强的耐腐蚀性能，腐蚀介质能加快涂层冲蚀磨损进程，磨损后表面为非光滑表面，使涂层具有

较优的抗冲蚀磨损性能，故Cr

3

C

2

-NiCr涂层可显著改善基体表面的综合使用性能。

关键词：超音速火焰喷涂；Cr

3

C

2

-NiCr涂层；碱性环境；耐腐蚀；冲蚀腐蚀磨损；失效机制；非光滑表面

中图分类号：TG172 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2019)09-0211-07

DOI：10.16490/.1001-3660.2019.09.023

11,2111,2

Corrosion Resistance and Erosion-corrosion Wear Performance of

HVOF Sprayed Cr

3

C

2

-NiCr Coating in NaOH Solution

WANG Jing

1

, HE Bing

1,2

, LUO Jing-shuai

1

, YUAN Xiao

1

, ZONG Xue-mei

1,2

(u XCMG Construction Machinery Research Institute Co. Ltd, Xuzhou 201004, China;

Key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery, Xuzhou 221004, China)

ABSTRACT: The work aims to analyze the corrosion resistance and erosion-corrosion wear performance of HVOF sprayed

收稿日期：2018-12-23；修订日期：2019-02-23

Received：2018-12-23；Revised：2019-02-23

基金项目：国家重点研发计划（2018YFB1105800）；江苏省自然科学基金（BK20170246）

Fund：Supported by National Key Research and Development Program (2018YFB1105800) and Jiangsu Natural Science Foundation

(BK20170246)

作者简介：王井（1987—），男，硕士，主要研究方向为表面工程。

Biography：WANG Jing (1987—), Male, Master, Research focus: surface engineering.

通讯作者：蹤雪梅（1975—），女，硕士，高级工程师，主要研究方向为表面强化与再制造工程。邮箱：jingwang0822@

Corresponding author：ZONG Xue-mei (1975—), Female, Master, Senior engineer, Research focus: surface strengthening and remanufacturing

engineering. e-mail: jingwang0822@

·212· 表 面 技 术 2019年9月

Cr

3

C

2

-NiCr coating in alkaline solution, and reveal the mechanisms of corrosion and erosion-corrosion wear. Cr

3

C

2

-NiCr

ceramic coating was deposited on the surface of 45# steel by high velocity oxy-fuel spraying (HVOF). The microstructure,

microhardness, corrosion resistance, erosion-corrosion wear performance in the alkaline environment, weight loss and surface

morphology were tested by optical microscopy (OM), microhardness tester, corrosion performance test bench in alkaline

environment, electrochemical analyzer, erosion-corrosion wear tester, electronic balance and scanning electron microscope,

respectively. Cr

3

C

2

-NiCr coating exhibited a typical layered structure and pores and oxides were randomly distributed among

the coating. The porosity and microhardness of the coating were 1.3% and 817HV

0.1

on average, respectively. In the NaOH

solution with pH=11, the electrochemical corrosion potential of Cr

3

C

2

-NiCr coating was 0.38 V. The oxides produced by the

corrosion reaction could effectively prevent the corrosion from proceeding. During long-term immersion, the corrosive medium

underwent a corrosion reaction with substrate after penetrating into the coating and substrate through the cracks or penetrating

pores. The corrosion products formed by the corrosion reaction were gradually accumulated and discharged to the surface of the

coating, thus eventually forming a bulky and flocculent corrosion product. In the alkaline corrosive environment, corrosion

medium could exacerbate material consumption in erosion wear. Under the same conditions, the weight loss of

erosion-corrosion wear of coating was significantly less than that of substrate material. The main failure mechanisms of

erosion-corrosion wear of Cr

3

C

2

-NiCr coating were falling of corrosion products, spalling of hard particles, abrasion of binder

phases, falling of the defects due to fatigue cracks. In alkaline environment, Cr

3

C

2

-NiCr coating has strong corrosion resistance.

The corrosion medium can accelerate the erosion process of the coating, and the surface of the coating after wear is a

non-smooth surface. Due to the non-smooth surface, the coating has excellent erosion wear resistance. Therefore, Cr

3

C

2

-NiCr

coating can significantly improve the comprehensive performance of the substrate surface.

KEY WORDS: Cr

3

C

2

-NiCr coating; alkaline environment; corrosion resistance; erosion-corrosion wear; failure

mechanism; non-smooth surface

土压平衡顶管施工技术具有施工周期短、环境影

响小等优点，广泛应用于市政给排水、通信电缆等地

下管线施工中

[1-2]

。施工过程中，土仓内的土主要以

含水量较多的泥浆排出。由于泥浆中存在大量的硬质

颗粒，且具有一定的碱性腐蚀作用，造成泥浆输送管

路中的泥浆阀长时间受到泥浆腐蚀及硬质颗粒的冲

蚀作用，常面临因冲蚀腐蚀磨损而失效的问题。因此，

利用表面涂层技术提高零件表面抗冲蚀磨损性能越

来越得到广泛应用

[3-4]

。

超音速火焰喷涂技术的焰流速度高、喷涂粒子速

度高、动能高，可制备高致密度、高结合强度的涂层，

且涂层内部及与基体间的结合区产生压应力，被广泛

应用于碳化物金属陶瓷涂层制备

[5-6]

。超音速火焰喷

耐蚀性及

涂Cr

3

C

2

-NiCr金属陶瓷涂层具有孔隙率低、

耐磨性好等优点

[7-15]

，越来越广泛地被用作阀门、活

塞等耐冲蚀构件的防护涂层。近年来关于超音速火焰

喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层性能研究的报道呈逐渐增多的

趋势，Espallargas N

[9]

、GUILEMANY J M

[10]

等对超

音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在3.4%NaCl溶液中的

腐蚀性能及机理进行了研究，认为涂层在该腐蚀环境

下具有较优的耐腐蚀性能。郭稷

[11]

、Suegama P H

[12]

等利用电化学研究方法，分析Cr

3

C

2

-NiCr涂层在

3.5%NaCl溶液、0.5%H

2

SO

4

溶液中的腐蚀及电化学

行为，进一步证明了涂层在中性环境下具有较好的耐

蚀性，但均未研究Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境下的耐

蚀性能。纪岗昌

[13]

、Ha Pham Thi

[14]

、王洪涛

[15]

等对

3.5%NaCl、5%H

2

SO

4

比分析了Cr

3

C

2

-NiCr涂层在水、

溶液中的冲蚀腐蚀磨损性能，结果表明，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层具有较好的抗冲蚀腐蚀磨损性能，且酸性介质中

涂层的腐蚀冲蚀率远大于其在水介质中的值，但未对

涂层在碱性环境中抗冲蚀腐蚀磨损性能进行研究，且

没有对磨损试样结构进行专门设计，磨损过程中试样

棱角处的基体磨损会给涂层磨损失重测试结果带来

误差，进而对分析结果造成影响。

目前，关于超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱

性环境下耐蚀及耐冲蚀腐蚀磨损性能的研究尚未见

报道，本文设计了专用的冲蚀腐蚀磨损试样结构，利

对涂层

用超音速火焰喷涂技术制备Cr

3

C

2

-NiCr涂层，

组织、显微硬度及碱性环境下耐蚀、耐冲蚀腐蚀磨损

性能进行研究，并探讨涂层在碱性环境下冲蚀腐蚀磨

损失效机制，为涂层应用于碱性环境下零件表面性能

的提升提供参考依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验基体材料采用直径为



140 mm、厚度为

8 mm的平板，材料为45#钢，对其表面进行除油、

除锈及喷砂处理。喷涂粉末材料为欧瑞康美科表面技

术（上海）有限公司生产的Cr

3

C

2

-NiCr粉末，分别包

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·213·

括硬质相Cr

3

C

2

和粘结相NiCr，其中NiCr含量约25%

（质量分数），Ni与Cr元素配比约为80%:20%，粉

末粒径范围为15～45 μm，粉末熔点约为1400 ℃，

硬质相Cr

3

C

2

的熔点约为1810 ℃。

1.2 试验方法

采用美国司太立JET KOTE Ⅲ超音速火焰喷涂

设备进行涂层制备，喷涂前采用全自动压缩式喷砂机

对平板基体进行预处理，喷砂材料为24目白刚玉。

以涂层孔隙率为评价指标，得出最优的喷砂及喷涂工

艺参数，如表1所示。

表1 喷砂、喷涂主要工艺参数

Tab.1 Main parameters of grit-blasting

and spraying technology

Process Parameters Values

Air pressure/MPa 0.7~0.9

Grit-blasting

Blasting distance/mm 200

Blasting speed/(mms

1

)

200

Blasting angle/(°) 90

Oxygen flow/(Lmin

1

)

451.2~458.25

Propylene flow/(Lmin

1

)

54.05~58.75

1

HVOF

Powder feed rate/(gmin)

60~65

Spray distance/mm 180

Spray speed/(mmmin

1

)

1100~1200

Layer thickness/mm 0.45

为模拟泥浆阀实际的使用工况，分别采用电化学

试验和浸泡试验，对所制备的Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#

钢基体分别进行碱性环境耐腐蚀性能测试。腐蚀溶液

采用片状的固态NaOH和蒸馏水配制而成，pH值为

11，采用pH计进行测定。电化学试验：采用CHI604C

电化学分析仪，对涂层和基体在NaOH溶液中的自腐

蚀电位进行测试。浸泡试验：采用自制的碱性腐蚀性

能试验台，将试样放入溶液槽中，溶液槽外部采用盐

浴炉进行加热，加热温度约为60 ℃，试验时间为

720 h，试验后将试样放置在清洁水中进行漂洗、烘干。

冲蚀腐蚀磨损试验采用张家口市诚信试验设备

制造有限公司生产的MSH型腐蚀磨损试验机，试验

装置如图1所示。试样装夹盘安装了4个用于装夹试

样的U型槽，通过调节U型槽安装角度，可调节试

样冲蚀面与装夹盘旋转线速度的夹角。参照U型槽

大小，试样尺寸设计为50 mm30 mm8 mm。同时，

装夹盘由电机通过皮带驱动做旋转运动，进而带动试

样运动。

试验过程中，涂层试样四周棱边处的基体会不断

受到砂粒的冲蚀腐蚀磨损作用。因此，为准确获得涂

层的磨损损失质量，避免由于棱边基体磨损造成的磨

损损失质量误差，设计了专用的试样结构，如图2所

示，主要包括左防护块、右防护块、中间防护块及用

图1 冲蚀腐蚀磨损试验装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of erosion-corrosion test device

图2 冲蚀腐蚀磨损试样结构示意图

Fig.2 Schematic diagram of erosion-corrosion wear sample

于称量的试样，称量的试样大小为40 mm20 mm

5 mm。首先，在试样表面制备特定厚度的涂层，并

磨削至表面光滑，再对左防护块、右防护块及称量试

样进行线切割，最后将上述部分重新组装，并采用钨

极氩弧焊接工艺将左防护块、右防护块分别与中间防

护块进行焊合，焊合位置应避开称量试样。同时，由

于设计了燕尾槽结构，从而可以防止试验过程中称量

试样发生脱落，且可以避免称量试样四周棱边基体发

生磨损。分别对45#钢和Cr

3

C

2

-NiCr涂层的冲蚀腐蚀

磨损性能进行测试分析，试样冲蚀面与装夹盘旋转线

速度间的夹角为90°，腐蚀介质为pH=11的NaOH溶

液和20目石英砂组成的混合液，二者体积比为1∶1，

均为5000 mL。试验参数如表2所示，试验后对试样

进行清洗、烘干。

表2 冲蚀腐蚀磨损试验参数

Tab.2 Erosion-corrosion wear test parameters

Parameters Values

Diameter of sample holder/mm 350

Speed of sample holder/(rmin

1

)

500

Impact speed of medium/(ms

1

)

9

Test time/min 120

1.3 表征与分析

采用线切割方法对原始喷涂层试样进行切样、镶

样、研磨和抛光，而后采用DMI5000M型倒置式金

相显微镜对喷涂层的组织及结构进行分析，并利用图

像处理软件对涂层内部的孔隙率进行测试。采用KB

显微维氏硬度仪对喷涂试样的纵截面显微硬度进行

·214· 表 面 技 术 2019年9月

测定，由涂层表面至基体每隔0.1 mm取点，载荷为

100 g，加载时间为15 s，每个试样测3次，取平均值。

冲蚀腐蚀磨损损失质量利用电子显微天平测得，分别

测量4个相同条件下试样的磨损损失质量并取平均

值。最后，采用Inspect S50钨灯丝扫描电子显微镜

对腐蚀后及冲蚀腐蚀磨损后的表面形貌进行分析。

2 结果与分析

2.1 涂层组织结构

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层的组织结构如

图3所示。由图3a可以看出，涂层组织呈典型的层

状结构，层间界面明显。这是由于飞行过程中的粉末

粒子及已形成的涂层与大气接触，表面易发生氧化形

成氧化层，即层间界面。由图3b涂层表面形貌及表3

能谱分析结果可以看出，涂层内部灰色部分为Cr

3

C

2

硬质相，白色部分主要为NiCr粘结相和氧化物。进

一步观察发现，层间界面呈凹凸不平分布形态，因为

粉末中NiCr相的熔点较低，在喷涂过程中与火焰作

用后迅速熔化，而粉末中Cr

3

C

2

相的熔点相对较高，

经火焰加热后，处于熔化与半熔化状态，即喷涂粉末

粒子在撞击工件表面前处于固-液两相混合状态。当

粉末粒子高速撞击到基体或已沉积涂层表面时，液态

粉末颗粒迅速沿基体表面向外铺展，形成表面平整的

扁平化涂层，而固态粉末颗粒由于变形不充分而直接

嵌入已形成的扁平化涂层中，形成局部凸峰。随着粉

末颗粒不断沉积，最终形成表面形貌呈凹凸不平分布

形态的涂层。同时，由于粉末粒子变形不充分，沉积

过程中产生不完全重叠，进而在涂层内部形成孔隙，

经测试，涂层孔隙率约为1.3%。

图3 Cr

3

C

2

-NiCr涂层组织结构

Fig.3 Microstructure of Cr

3

C

2

-NiCr coating: a) metallographic structure of coating, b) surface morphologies of coating

表3 Ⅰ、Ⅱ点能谱分析

Tab.3 EDS spectra of positionⅠandⅡ

Element

Position Ⅰ

Position Ⅱ

C

wt%

20.31

6.36

at%

52.50

17.59

wt%

78.56

47.16

Cr

at%

46.91

30.13

wt%

1.13

28.96

Ni

at%

0.6

16.39

wt%

17.19

O

at%

35.70

2.2 涂层碱性环境耐腐蚀性能

图4为Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体在pH=11

的NaOH溶液中的动电位极化曲线，可以看出，自腐

蚀电位分别为0.38 V和0.51 V，说明Cr

3

C

2

-NiCr涂

层的腐蚀倾向性小于45#钢基体材料。同时，涂层的

自腐蚀电位高于涂层在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电

位0.55 V

[11]

及0.5%H

2

SO

4

溶液中的自腐蚀电位0.8

进一步说明Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境的耐蚀

V

[12]

，

性能优于在中性及酸性环境中。

图5为Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性溶液中经过720 h

浸泡腐蚀后的表面微观形貌，可以看出，涂层表面经

预处理所形成的加工纹路仍较清晰，即涂层表面没有

图4 Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体在pH=11

的NaOH溶液中的极化曲线

Fig.4 Polarization curves of Cr

3

C

2

-NiCr coating and 45#

substrate in pH=11 NaOH solution

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·215·

图5 Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中腐蚀后的微观形貌

Fig.5 Micromorphology of Cr

3

C

2

-NiCr coating

corroded in NaOH solution

发现大面积腐蚀产物，说明Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH

溶液中具有较强的耐腐蚀性能。进一步观察发现，腐

蚀后涂层表面特征主要包括体积较大且呈团絮状的

物体、沿磨痕方向分布的小体积颗粒状物体及平整的

表面，分别选取上述特征部位的典型位置Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

进行能谱分析，结果如表4所示。位置Ⅰ的团絮状物

体内部含有Fe、Na元素，可以说明该物体是基体与

腐蚀溶液发生腐蚀反应而生成的腐蚀产物，其产生的

原因是由于涂层表面经磨平后，局部区域裂纹或穿透

性孔隙显露出来，腐蚀介质得以进入涂层内部，并不

断渗入直至基体表面。随着腐蚀时间的延长，生成的

腐蚀产物逐渐累积，并不断排出至涂层表面，最终形

成体积较大且呈团絮状的腐蚀产物。位置Ⅱ、Ⅲ均含

有O元素，说明涂层表面发生了腐蚀反应，腐蚀产

物主要为Cr和Ni的氧化物。同时位置Ⅱ的O元素

含量高于位置Ⅲ，其主要原因是位置Ⅱ磨痕处的波峰

位置能提供比其他位置更高的电化学特性，使得磨痕

波峰处表面更加容易与腐蚀介质发生反应

[16]

，生成更

多的氧化物。而位置Ⅲ处经预处理后较为平整，无明

显波峰，其表面发生腐蚀反应后生成的氧化物可有效

阻止腐蚀反应继续进行，所形成的腐蚀产物较少。另

外，位置Ⅱ还测得少量的Na、Fe元素，其原因是部

分腐蚀介质结晶及位置Ⅰ处腐蚀产物中的Fe元素游离

表4 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点能谱分析

Tab.4 EDS spectra of position Ⅰ,Ⅱ and Ⅲ

Element

Position Ⅰ Position Ⅱ Position Ⅲ

wt% at% wt%at% wt% at%

C 9.53 19.11 10.9526.72 11.7732.32

O 37.88 56.50 32.4541.38 8.1316.77

Na 1.66 1.59 0.300.27

Cr 22.13 9.92 51.4329.68 72.0645.71

Fe 25.76 11.07 0.460.17

Ni 2.12 0.87 4.271.53 5.613.15

于腐蚀介质并发生沉积所致。

2.3 涂层耐冲蚀腐蚀磨损性能

超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层试样的纵截面

显微硬度如图6所示，可以看出，喷涂层的平均显微

硬度约为817HV

0.1

，较基体238.5HV

0.1

的平均显微硬

度有较大幅度提升。

图6 Cr

3

C

2

-NiCr涂层纵截面显微硬度

Fig.6 Cross section microhardness of Cr

3

C

2

-NiCr coating

45#钢基体和Cr

3

C

2

-NiCr涂层的冲蚀腐蚀磨损损

失质量测试结果如表5所示。可以看出，Cr

3

C

2

-NiCr

涂层的冲蚀腐蚀磨损损失质量较原基材有较大幅度

的降低，即Cr

3

C

2

-NiCr涂层可有效提高基体表面抗冲

蚀腐蚀磨损性能。

表5 冲蚀腐蚀磨损损失质量

Tab.5 Weight loss of erosion-corrosion wear

mg

MaterialSample 1Sample 2 Sample 3 Sample 4Average

45# steel132.7148.5 136.9 144.1140.5

Cr

3

C

2

-NiCr25.731.4 28.7 28.328.5

为进一步对比分析Cr

3

C

2

-NiCr涂层和45#钢基体

的抗冲蚀腐蚀磨损性能，对磨损后试样表面微观形貌

进行观察，结果如图7所示。同时，对Cr

3

C

2

-NiCr

涂层磨损表面进行EDS元素含量线扫描分析，结果

显示主要元素为Cr和Ni，其原因是经过砂粒的不断

撞击，涂层表面的磨痕、腐蚀产物及结晶物逐渐脱落，

原涂层组织逐渐显露，形成较平整的表面。涂层表面

随机分布着许多体积较小的多边形凹坑及少数体积

较大的凹坑。同时，涂层局部区域还产生了短程裂纹，

其延伸方向及长度各不相同。故可以认为，裂纹是由

于冲蚀腐蚀磨损过程中，涂层表面局部区域在砂粒撞

击下，内部应力不断累积，最终超过了涂层内部结合

强度而产生的。此外，对涂层表面附着的白色颗粒进

行能谱分析，发现含有大量的Si元素，故可以确认

是嵌入至涂层的残留砂粒。

由图7b可以看出，45#钢基体经过冲蚀腐蚀磨损

·216· 表 面 技 术 2019年9月

图7 试样冲蚀腐蚀磨损后的微观形貌

Fig.7 Micromorphology of samples after erosion-corrosion wear: a) Cr

3

C

2

-NiCr coating, b) 45# steel

后，其表面随机分布着大量细小的凹坑，局部区域产

生了体积较大的剥落坑，与Cr

3

C

2

-NiCr涂层相比，表

面更粗糙，其原因是由于基体硬度较低，其表面在砂

粒撞击作用下易形成塑性变形凹坑，凹坑边缘的凸起

材料由于砂粒的循环剪切作用而脱落，进而造成凹坑

逐渐变小直至消失，且在冲蚀腐蚀磨损过程中，此过

程不断循环。另一方面，试样表面与腐蚀介质相互作

用形成氧化物，其抵抗砂粒的冲蚀能力低于基体材

料，将进一步加剧基体表面的冲蚀腐蚀磨损。

2.4 涂层在碱性环境中冲蚀腐蚀磨损失效

机制

图8为冲蚀腐蚀磨损过程中Cr

3

C

2

-NiCr涂层与砂

粒相互作用机制分析图，由于冲蚀试样转速较高，溶

液槽内腐蚀介质在试样作用下形成复杂流场，进而带

动砂粒做无规则运动，其撞击涂层表面的攻角也各不

相同，因此可以将砂粒对涂层的撞击力F分解为垂直

于涂层表面的作用力F

1

和平行于涂层表面的作用力

F

2

，作用力F

1

和F

2

对涂层表面的作用机制分别表现

为锤击和犁削

[17-18]

。

由以上讨论可知，Cr

3

C

2

-NiCr涂层在碱性环境中

易形成氧化物，能有效提升涂层的抗腐蚀性能，且涂

层中碳化物的抗腐蚀性能更优，故涂层表面腐蚀主要

发生在NiCr粘结相处。而在冲蚀腐蚀磨损过程中，

由于F

1

和F

2

的循环作用，涂层表面腐蚀生成的氧化

物逐渐被破坏，直至丧失保护作用，活性表面不断显

露出来，更容易与腐蚀介质发生腐蚀反应，从而加剧

腐蚀介质对涂层表面的腐蚀作用。由于腐蚀产物的抗

冲蚀腐蚀磨损性能低于原涂层，因此腐蚀作用将加快

粘结相NiCr的磨耗进程，同时还造成硬质相周围粘

结力及连接界面面积不断减少，最终导致硬质相的脱

落，因此腐蚀介质能加快涂层冲蚀腐蚀磨损进程。随

着冲蚀腐蚀磨损不断进行，硬质相的脱落导致涂层表

面形成许多体积较小的多边形凹坑，另一方面，涂层

浅表层在作用力F

1

的循环撞击下会产生疲劳应力，

并不断累积，最终在涂层内部孔隙、微裂纹等缺陷区

域产生疲劳裂纹，且该区域涂层的抗压强度及结合强

度相对较低，在作用力F

2

的犁削下易发生整体剥落，

形成大体积凹坑。同时，由于腐蚀介质较强的穿透和

渗入作用，将加速缺陷区域处裂纹的产生，促进裂纹

扩展

[16]

。

由图8还可以看出，涂层经过冲蚀腐蚀磨损后，

其纵截面方向的表面轮廓如黑色粗线所示，呈典型的

非光滑表面，凸起的硬质相可以有效地阻碍砂粒沿平

行于涂层表面的运动，降低F

2

对涂层表面粘结相的

犁削作用，有效提升涂层抵抗冲蚀磨损性能

[19]

，进而

提升基体表面的抗冲蚀磨损性能。

图8 冲蚀腐蚀磨损过程中Cr

3

C

2

-NiCr涂层与

砂粒间相互作用机制

Fig.8 Interaction mechanism between Cr

3

C

2

-NiCr coating

and sand during erosion-corrosion wear

3 结论

1）超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层呈典型的层

状结构，内部随机分布着孔隙及氧化物，层间界面呈

第48卷 第9期 王井等：超音速火焰喷涂Cr

3

C

2

-NiCr涂层在NaOH溶液中的腐蚀及冲蚀腐蚀磨损性能 ·217·

凹凸不平分布形态。涂层孔隙率约为1.3%，显微硬

度平均为817HV

0.1

，较原基材大幅提升。

2）涂层在pH=11的NaOH溶液中的腐蚀电位为

0.38 V，表面因腐蚀生成的氧化物可有效阻止腐蚀

继续进行，长期浸泡过程中，碱性腐蚀介质通过局部

区域裂纹或穿透性孔隙渗入至基体并发生腐蚀反应。

3）相同条件下，涂层冲蚀腐蚀磨损损失质量明

显小于基体材料，腐蚀介质能加快涂层冲蚀磨损进

程，涂层的冲蚀腐蚀磨损失效机制主要有腐蚀产物脱

落、硬质颗粒剥落、粘结相磨耗、缺陷处因疲劳裂纹

整体脱落。

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