金屬材料的腐蝕失效通常起源于材料表面受到腐蝕介質(zhì)侵蝕產(chǎn)生破壞，因此材料表面的改性和強(qiáng)化涂層的制備發(fā)揮重要作用。近年來(lái)，激光沉積技術(shù)發(fā)展迅猛，可以在廉價(jià)金屬基體表面制備高性能的涂層，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和重要零部件的表面強(qiáng)化和損傷修復(fù)等。但是傳統(tǒng)激光沉積稀釋較大，沉積效率低，且表面粗糙度較高，需要后續(xù)車削、磨削加工才可以投入使用，限制了其在大型工程構(gòu)件的應(yīng)用的推廣。德國(guó)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提出一種全新的激光表面增材制造技術(shù)——超高速激光沉積（EHLMD），有效地解決了沉積效率和表面平整性的問(wèn)題。通過(guò)同步送粉添料方式，利用高能密度的束流使添加材料與高速率運(yùn)動(dòng)的基體材料表面同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋率極低，與基體呈冶金結(jié)合的沉積層，極大提高沉積速率，顯著改善基體表面的耐磨耐蝕性能。因此，制備具有優(yōu)良耐腐蝕性能的超高速激光沉積涂層具有重要意義。本研究中，江蘇大學(xué)的徐祥博士(第一作者)和魯金忠教授(通訊作者)等人系統(tǒng)性地從沉積層致密性、顯微組織特征和抗腐蝕性能影響機(jī)理對(duì)比分析了超高速激光沉積（EHLMD）和傳統(tǒng)激光沉積（CLMD）制備的沉積層的耐腐蝕性能。通過(guò)Micro-CT、OM、EBSD和TEM分析，分別對(duì)兩種工藝制備的不銹鋼沉積層進(jìn)行了表征，通過(guò)三電極電化學(xué)工作站對(duì)沉積層在室溫下0.598mol/L NaCl溶液中的耐腐蝕性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明超高速激光沉積層細(xì)化的組織特征和更高的致密性形成穩(wěn)定可靠的鈍化膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。相關(guān)論文以題為“Comparing corrosion behavior of additively manufactured Cr-rich stainless steel coating between conventional and extreme high-speed laser metal deposition”發(fā)表在腐蝕頂刊Corrosion Science。https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109976
圖1 (a-c) CLMD和(d-f) EHLMD涂層典型冶金缺陷：氣孔、熔融缺陷和涂層中的裂紋。研究結(jié)果表明，EHLMD和CLMD都產(chǎn)生了與大部分激光增材制造技術(shù)類似的缺陷，主要包括三種類型：裂紋、氣孔和熔融缺陷。保護(hù)氣或者是粉末在熔化過(guò)程中產(chǎn)生的氣體在熔池中滯留，導(dǎo)致氣孔的形成，但是EHLMD的氣孔的尺寸和數(shù)量相對(duì)更少。此外，部分粉末顆粒沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)而留在熔池中，這是形成熔融缺陷的主要因素。由于EHLMD過(guò)程中采用較高的搭接率，單道熔池之間可以互相滲透，確保充分的冶金結(jié)合，促使EHLMD涂層中這些缺陷的面積和尺寸明顯小于CLMD涂層。兩種方法制備的沉積層都產(chǎn)生從涂層底部到頂部的長(zhǎng)裂紋。超高速激光沉積層的致密性達(dá)到99.46%，高于傳統(tǒng)激光沉積層的99.02%。
圖2 (a-d,i, k) CLMD和(e-h,j, l) EHLMD涂層近表面組織特征比較
圖3 EHLMD涂層位錯(cuò)滑移和層錯(cuò)堆垛結(jié)構(gòu)。CLMD涂層的晶粒尺寸為4~ 48 μm，平均值為14.65μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EHLMD涂層的晶粒尺寸(小于3μm，平均值為1.15μm)。CLMD和EHLMD涂層的微觀結(jié)構(gòu)均以大角度晶界為主。但是，EHLMD涂層中小角度晶界的體積分?jǐn)?shù)高于CLMD涂層。此外，在EHLMD極快的凝固過(guò)程中，元素偏析導(dǎo)致合金亞晶界元素的錯(cuò)位富集，從而產(chǎn)生部分高濃度位錯(cuò)。在EHLMD涂層中還發(fā)現(xiàn)了位錯(cuò)滑移和層錯(cuò)堆垛結(jié)構(gòu)。
圖4 CLMD和EHLMD涂層在0.598mol/L NaCl溶液中的電位動(dòng)態(tài)極化圖。
圖5 (a) CLMD和(b) EHLMD涂層電化學(xué)實(shí)驗(yàn)后的表面腐蝕形貌
圖6 (a) CLMD和(b) EHLMD涂層電化學(xué)實(shí)驗(yàn)后的截面腐蝕形貌在耐腐蝕性能的測(cè)試中，EHLMD涂層的動(dòng)電位計(jì)劃曲線的重合度更高，表面涂層的均勻性較好，耐腐蝕性能穩(wěn)定。在腐蝕溶液中涂層表面鈍化膜以Cr2O3和FeO為主。通過(guò)EHLMD涂層的腐蝕電流密度平均值為1.597 μA/cm2,明顯低于CLMD涂層。EHLMD涂層的平均極化電阻為709.79 kΩ. cm2，明顯高于CLMD涂層（356.69 kΩ.cm2），與CLMD涂層相比較，EHLMD涂層表面形成的鈍化膜具有更優(yōu)異的耐蝕性。兩種涂層都是晶間腐蝕的失效形式，但是CLMD的腐蝕坑的寬度和深度均大于EHLMD涂層。腐蝕坑的截面形貌來(lái)看，缺陷是腐蝕萌生的重要因素，缺陷處均出現(xiàn)裂紋和孔洞。
圖7(a) CLMD和(b) EHLMD涂層表面鈍化膜形成與破壞示意圖在這項(xiàng)工作中，研究了超高速激光沉積層和傳統(tǒng)激光沉積層技術(shù)制備的不銹鋼涂層的組織特征和耐腐蝕性能。超高速激光沉積涂層由于其較高的致密性、細(xì)化的晶粒和位錯(cuò)滑移與層錯(cuò)堆垛結(jié)構(gòu)的存在，在腐蝕溶液中形成了更加致密和穩(wěn)定的鈍化膜，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。
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