图1   管流式冲刷腐蚀试验机结构示意图

2 结果与讨论

2.1 涂层微观组织

图2是在SEM下观察的熔覆层横截面显微形貌图。可以看出，熔覆层的厚度约为1 mm；同时，碳钢基体和熔覆层之间存在明显的界面，且界面结合良好。图3为利用试样实际表面及截面显微组织形貌图构建的熔覆层三维结构图。可以看出，熔覆层几乎不存在明显的孔隙和裂纹等缺陷，涂层的显微结构主要是由枝状晶和枝间共晶组织组成，主干树枝晶的周围能看出延伸的二次枝晶臂。晶体的形态主要取决于温度梯度 （G） 和凝固速率 （R） 以及G/R比值[14]。截面形貌显示，从熔覆层/基体界面到熔覆层顶部区域，G/R比值不断减小。涂层底部晶体的生长方式以柱状树枝晶为主，越靠近熔覆层顶部区域，较慢冷却速率为二次枝晶的生长创造了条件，故二次枝晶组织越多。同时，熔覆层上表面的微观组织通常是等轴的胞状结构，主要由初晶相和周围的共晶网络组成。从EDS分析结果可以看出，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，熔覆层与基体间存在一过渡区，该区的出现表明熔覆层与碳钢基体形成了良好的冶金结合[15]。

图2   镍基激光熔覆层截面显微形貌

图3   镍基激光熔覆层微观组织形貌

2.2 熔覆层冲刷腐蚀行为

2.2.1 电化学阻抗谱

EIS测量是分析材料电化学行为的一种非破坏性方法。图4为试样在稳定开路电位下测量的Nyquist曲线。其中，图4a是在流速为1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同冲刷角条件下的Nyquist曲线。可以看出，冲刷角为45°的条件下，熔覆层Nyquist曲线的容抗弧半径最小，表明该条件下熔覆层的耐蚀性较其他冲刷角条件下的低。冲刷角为0°和90°两种条件下，熔覆层Nyquist曲线的容抗弧半径相差较小，但在90°下容抗弧半径略小，说明该条件下熔覆层耐蚀性较差，表明流体对熔覆层表面所产生的正应力对熔覆层的损伤作用更大。图4b为熔覆层在流速为1 m/s、冲刷角为45°条件下加入SiO2固相颗粒与否的Nyquist曲线。由图4b可知，熔覆层在含固相颗粒流体中的容抗弧半径较小，表明由于固体颗粒对熔覆层表面附加的正应力及剪切力进一步恶化了腐蚀过程。

图4   镍基激光熔覆层在3.5%NaCl溶液冲刷中的Nyquist曲线

2.2.2 动电位极化曲线分析

图5为熔覆层在冲刷腐蚀过程中的动电位极化曲线。表2为采用Tafel外推法利用电化学测试系统自带拟合软件计算获得的各冲刷角条件下熔覆层的自腐蚀电位 （Ecorr） 和自腐蚀电流密度 （Icorr）。其中，Ecorr表示从热力学角度分析材料的腐蚀倾向，Icorr从动力学角度分析材料的腐蚀速率。图5a为熔覆层在流速为1 m/s、3.5%NaCl溶液中不同冲刷角条件下的动电位极化曲线。由图5a可以看出，随着冲刷角从0°到90°变化，熔覆层的Ecorr先变负后变正，其Icorr先增加后减小，表明熔覆层的腐蚀速率先增加后减小。在冲刷角为45°条件下，熔覆层的Ecorr最负、Icorr最大，说明耐蚀性最弱。以上现象与0°~45°时随冲刷角的增加逐渐增大的正应力与逐渐减小的切应力的协同效应有关。正应力作用使熔覆层表面的变形加剧，而切应力则促使材料表面减薄和去除，导致材料新的表面不断暴露，正应力和切应力的协同作用导致以上材料破坏过程加剧。此外，从45°~90°时冲刷角的增加会导致正应力的不断增加，剪切应力的不断减小。熔覆层在冲刷角为0°与90°时，前者得到的Icorr大于后者，同时其腐蚀倾向也较大，说明剪切力在熔覆层损伤中占主导作用。该处所获熔覆层损伤的主导作用力与基于Nyquist曲线分析所获的结果相反，主要原因可能在于切应力容易导致熔覆层表面产生沟槽而变粗糙，导致比表面积增大，进而使Nyquist曲线容抗弧半径增大。图5b是熔覆层在冲刷角为45°、流速为1 m/s条件下在含与不含SiO2固相颗粒的NaCl溶液中的动电位极化曲线。由图5b和表3可知，加入固体颗粒后，熔覆层的Ecorr变负、Icorr增加，表明耐腐蚀性能减小。在同一流速带来的动力条件下，不规则固相颗粒作用于熔覆层表面时更易产生机械损伤。

图5   镍基激光熔覆层在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线

2.2.3 冲刷腐蚀形貌

熔覆层在3.5%NaCl溶液中冲刷后的形貌如图6所示。其中，图6a是熔覆层在冲刷角为0°时的腐蚀形貌，其表面在流体所引起的剪切力作用下形成长窄型沟壑形貌。图6b显示了熔覆层在冲刷角为45°时的腐蚀形貌，其特点是熔覆层表面出现凹坑且宽度大于其在冲刷角为0°时产生的沟槽。这是由于在冲刷角为45°时，熔覆层表面不但受到切应力的切削作用使表面减薄，而且受到正应力作用使减薄处发生塑性变形而产生凹坑。图6c则为熔覆层在冲刷角为90°时的腐蚀形貌，其表面出现明显凹坑，深度大于其在冲刷角为45°时的凹坑深度，原因在于正应力单独作用使熔覆层表面受到冲击动能达到最大，因此涂层吸收能量产生的塑性变形程度也最大。以上分析表明，熔覆层冲刷腐蚀形貌与其表面所受流体作用力的种类直接相关。

图6   镍基激光熔覆层在3.5%NaCl溶液中冲刷腐蚀后的微观形貌

3 结论

（1） 熔覆层由初晶相 （富含Ni） 和周围的共晶组织 （富集Cr、Mo、W等元素） 组成；熔覆层表面以胞状晶为主，内部则包含柱状的枝晶凝固以及二次枝晶臂等微观组织。

（2） 在冲刷角为0°，45°和90°时，由于正应力和切应力的协同效应，使熔覆层在冲刷角为45°时耐蚀性最弱。冲刷腐蚀过程中，切应力对熔覆层表面主要以产生沟槽的形式损伤，而正应力则容易致使熔覆层表面塑性变形产生凹坑。

（3） 在流速和冲刷角不变时，加入SiO2固相颗粒时会带来附加机械力作用，使熔覆层的耐蚀性进一步下降。