Monel400合金主要由Ni和Cu組成，在多種環(huán)境下服役時(shí)，合金表面能夠生成一層Ni(OH)2鈍化膜，因此其具有非常優(yōu)異的耐腐蝕性。Monel400合金的強(qiáng)度較高，而且加工成形性良好，這些優(yōu)異的性能使其經(jīng)常被用作螺旋槳、葉輪、蝸桿、閥墊、泵軸等。海洋環(huán)境是一種高腐蝕性環(huán)境，在海洋環(huán)境下服役的裝備不可避免地會(huì)遭受到腐蝕及磨損損傷，當(dāng)腐蝕和磨損同時(shí)發(fā)生時(shí)，由于復(fù)雜的力學(xué)及電化學(xué)交互作用，導(dǎo)致零部件的損傷比靜態(tài)腐蝕和純磨損更嚴(yán)重。摩擦?xí)?dǎo)致合金表面的鈍化膜被破壞，從而加速合金的腐蝕。從材料保護(hù)和應(yīng)用的角度來看，區(qū)分腐蝕磨損過程中腐蝕和磨損對(duì)材料總腐蝕磨損損失量的貢獻(xiàn)非常重要。如果磨損損失量所占的比例較大，應(yīng)該從強(qiáng)化材料耐磨性的角度來提高材料的耐腐蝕磨損性能；如果腐蝕損失量占了更大的比例，則應(yīng)該首先考慮提高材料的耐腐蝕性。

隨著Monel400合金在海洋環(huán)境下的廣泛應(yīng)用，Monel400合金的腐蝕磨損研究變得越來越有必要。然而目前關(guān)于Monel400合金的研究集中在耐腐蝕性，其耐腐蝕磨損性能的研究還非常少見”。在本工作中，研究了Monel400合金在不同外加電位下的海水環(huán)境腐蝕磨損行為，并計(jì)算其交互作用，分析腐蝕磨損機(jī)理，為Monel400合金在海洋腐蝕磨損環(huán)境下的應(yīng)用提供一些理論基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)

1.1材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為Monel400合金，其主要化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))為：31.7％Cu，0.17％C，1.67％Fe，1.04％Mn，其余為Ni。為了進(jìn)行腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)，合金被加工成圓柱狀試樣(直徑6mm，高度4mm。進(jìn)行滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)前，用砂紙打磨樣品的測試端，砂紙磨到2000目，而后用1um的金剛石研磨膏拋光至表面粗糙度R口為0.05m，然后依次在肥皂水、去離子水以及丙酮中超聲清洗10min，最后真空干燥。

1.2腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)

選用Al2O3塊(18mmx18mrnx5mm)作為對(duì)磨材料，Al2O3陶瓷具有高硬度、高耐腐蝕性且不導(dǎo)電，對(duì)電化學(xué)測試結(jié)果的影響較小。Al2O3塊的表面粗糙度為0.3gm。樣品的暴露面積為0.28cm。為了更容易地研究合金的腐蝕磨損，設(shè)計(jì)了一種圓柱試樣磨蝕夾具，測試時(shí)，樣品的一段暴露于測試溶液中，另一段通過上部壓力自密封，這種試驗(yàn)方式避免了樣品需要封樣的麻煩。測試期間，固定的樣品作上試樣，而固定于測試槽內(nèi)的Al2O3塊作下試樣。為了提高實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，用人工海水代替天然海水來研究Monel400合金的腐蝕磨損行為，因?yàn)樘烊缓Ｋ畷?huì)隨著海域和季節(jié)的變換而變化。海水的pH用0．1mol／L的NaOH溶液調(diào)節(jié)到8.2。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：Monel400合金作為工作電極，鉑電極作為對(duì)比電極，Ag／AgC1(3．5rnol／LKC1溶液)電極作為參比電極。測試溶液為人工海水，在聚四氟乙烯測試槽內(nèi)加入40mL人工海水。摩擦試驗(yàn)機(jī)的參數(shù)設(shè)置：恒定加載力200N，滑動(dòng)距離5mm，滑動(dòng)頻率2Hz。傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測樣品滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)。

為了研究恒電位對(duì)Monel400合金腐蝕磨損的影響，做了以下3個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)：

1)?開路電位(OCP)摩擦前，樣品先在開路電位下穩(wěn)定10min，然后開始摩擦，摩擦持續(xù)60min，摩擦停止后再穩(wěn)定浸泡10min，全程記錄開路電位的變化。

2)動(dòng)電位極化實(shí)驗(yàn)。動(dòng)電位極化實(shí)驗(yàn)包括測試不摩擦和摩擦狀態(tài)下的極化曲線，做極化曲線測試前，先記錄開路電位的變化，等開路電位穩(wěn)定后開始做極化測試，電位掃描范圍為一0．8～+1V，掃描速率為1mV／s。自腐蝕電位(E。)和自腐蝕電流密度等參數(shù)通過塔菲爾外推法得到。

3)恒電位下的磨蝕。在恒定的外加電位下進(jìn)行磨蝕實(shí)驗(yàn)，同時(shí)記錄電流密度和摩擦系數(shù)的變化。外加恒電位總共持續(xù)80min：摩擦開始前加10min，摩擦60min，摩擦結(jié)束后加10min。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性，相同條件下的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次。本文所有的電位值都是相對(duì)于Ag／AgC1參比電極。

1.3表征

使用場發(fā)射掃描電鏡(FEIQuantaFEG250)觀察磨痕的表面形貌，并做EDS分析。不同電位下的磨蝕實(shí)驗(yàn)完成后，將樣品在丙酮中超聲清洗，然后用分辨率為0．1mg的分析天平稱量并計(jì)算材料的體積損失量，計(jì)算公式為：

式中：V為總的體積損失量(mm)；m0為磨蝕前樣品的質(zhì)量(mg)；m1為磨蝕后樣品的質(zhì)量(mg)；p為材料密度。

2結(jié)果與討論

2.1滑動(dòng)接觸對(duì)腐蝕反應(yīng)的影響

利用腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)和電化學(xué)工作站，對(duì)腐蝕磨損過程中的Monel400合金的開路電位變化進(jìn)行分析，圖1為Monel400合金在200N載荷下，滑動(dòng)前、滑動(dòng)過程中和滑動(dòng)后的開路電位變化。滑動(dòng)開始前，隨浸泡時(shí)間的增加，開路電位出現(xiàn)緩慢增大，這是由于浸泡導(dǎo)致Monel400合金表面生成了致密和完整的鈍化膜，一旦摩擦開始，開路電位急劇降低并逐漸達(dá)到穩(wěn)定，滑動(dòng)停止后開路電位逐漸升高，并逐漸達(dá)到了初始滑動(dòng)前的電位值。開路電位反映材料在腐蝕性溶液的電化學(xué)狀態(tài)，Monel400合金浸人海水時(shí)會(huì)形成鈍化膜，因此初始浸泡時(shí)開路電位逐漸增加。摩擦導(dǎo)致表面鈍化膜的破壞甚至去除，新露出的表面電化學(xué)活性更高，因此耐腐蝕性下降，表現(xiàn)出的電信號(hào)即是開路電位的降低。摩擦停止后，表面發(fā)生了再鈍化，重新生成了鈍化膜，因此開路電位又增加到了初始值。開路電位的變化表明摩擦促進(jìn)了腐蝕。

為了進(jìn)一步研究摩擦對(duì)Monel400合金在海水中腐蝕行為的影響，測試了靜態(tài)極化曲線和摩擦狀態(tài)下的極化曲線，如圖2所示。自腐蝕電位和自腐蝕電流密度通過塔菲爾外推法從極化曲線上得到，結(jié)果如表2所示。靜態(tài)極化曲線和摩擦狀態(tài)的極化曲線最明顯的不同在于：靜態(tài)極化曲線存在明顯的鈍化區(qū)，而摩擦狀態(tài)的極化曲線不存在鈍化區(qū)。主要原因是摩擦去除了表面鈍化膜，在摩擦狀態(tài)下極化金屬表面不能形成鈍化層，因此極化曲線不存在鈍化區(qū)?；瑒?dòng)磨蝕狀態(tài)下的極化曲線陽極區(qū)出現(xiàn)了電流波動(dòng)，原因是摩擦破壞了合金表面的鈍化膜，而Monel400合金的再鈍化能力較強(qiáng)，因此表面鈍化膜的去除和再恢復(fù)導(dǎo)致了電流波動(dòng)。相比于靜態(tài)時(shí)的參數(shù)，摩擦狀態(tài)下的自腐蝕電位明顯降低，并且自腐蝕電流密度明顯增加。極化曲線的數(shù)據(jù)也表明摩擦促進(jìn)了腐蝕。

2.2外加恒電位對(duì)腐蝕磨損行為的影響

為了研究恒電位對(duì)Monel400合金腐蝕磨損行為的影響，在恒電位下進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，記錄每一個(gè)恒電位下磨蝕實(shí)驗(yàn)的腐蝕電流密度和摩擦系數(shù)。在5個(gè)電位下(-0.6V，OCP，+0.3V，+0.6V，+0.9V)進(jìn)行磨蝕實(shí)驗(yàn)。-0.6V是陰極保護(hù)電位，此時(shí)電位值比極化曲線的自腐蝕電位低，在此電位下進(jìn)行磨蝕實(shí)驗(yàn)，材料只存在磨損，外加此電位的目的是為了計(jì)算磨蝕損失量中的純磨損量。開路電位下磨蝕是為了模擬材料在工作條件下的電化學(xué)狀態(tài)。外加陽極電位的目的是為了促進(jìn)腐蝕，凸顯腐蝕磨損的交互作用。

22.1不同電位下摩擦電流密度的變化

圖3為外加不同恒電位時(shí)，Monel400合金在腐蝕磨損過程中電流密度的變化。外加-0.6V電位時(shí)，電流密度為負(fù)值，表明沒有腐蝕發(fā)生，此時(shí)合金處于良好的陰極保護(hù)狀態(tài)下。當(dāng)外加陽極電位時(shí)，電流密度變?yōu)檎?，并且電位越正，腐蝕電流密度越大，表明外加電位的增加促進(jìn)了合金的腐蝕。外加陽極電位下，摩擦開始前的電流密度比摩擦過程中的電流密度低，主要由于摩擦開始前表面存在鈍化膜，摩擦導(dǎo)致鈍化膜破壞，新的金屬表面的電化學(xué)活性更高，因此腐蝕電流密度更大，這表明摩擦促進(jìn)了腐蝕。Monel400合金在不同外加電位下的電流變化與其他學(xué)者研究鈍化材料的結(jié)果相似。

2．3磨損行為

圖5為不同電位的Monel400合金在人工海水中的磨損體積損失量，發(fā)現(xiàn)隨著外加電位的增加，磨損體積損失量增加，在-0.6V的電位下，材料處于陰極保護(hù)狀態(tài)，金屬的腐蝕溶解可以忽略，此時(shí)合金的體積損失全部來自磨損損失。在陽極電位和開路電位的條件下，材料損失量明顯增加，此時(shí)存在著腐蝕，表明腐蝕促進(jìn)了磨損，腐蝕與磨損存在著明顯的交互作用。

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圖6為Monel400合金在不同外加電位下磨蝕后的表面形貌及相關(guān)區(qū)域的能譜分析。-0.6V陰極保護(hù)的磨損表面出現(xiàn)了明顯犁溝，表明主要的磨損機(jī)制為磨粒磨損，此時(shí)合金處于陰極保護(hù)狀態(tài)，金屬腐蝕可以忽略，材料的去除主要來自于力學(xué)作用。在開路電位及陽極電位下，表面也存在明顯的犁溝，同時(shí)腐蝕區(qū)域也出現(xiàn)在磨損表面，電位越正，腐蝕越嚴(yán)重。+0.9V電位下的磨損面出現(xiàn)了明顯的腐蝕裂紋和腐蝕坑，腐蝕區(qū)域的能譜分析表明存在大量氧化物，腐蝕非常嚴(yán)重，并且Ni含量相對(duì)較少，而Cu含量非常高，這是因?yàn)镹i（-0.72V）的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比銅（-0.22V）低，發(fā)生腐蝕時(shí)會(huì)選擇性地優(yōu)先腐蝕Ni

2.4腐蝕磨損交互作用

腐蝕磨損導(dǎo)致材料的總體積損失量可以分為純磨損量、純腐蝕量以及腐蝕磨損交互作用量。腐蝕磨損中總的體積損失量;純磨損量;純腐蝕量;腐蝕磨損交互作用量。又可以分為磨損對(duì)腐蝕的促進(jìn)量和腐蝕對(duì)磨損的促進(jìn)量。由于Monel400合金具有非常好的耐腐蝕性，因此純腐蝕量非常小，因此可以忽略。

摩擦能夠破壞合金表面的鈍化膜，導(dǎo)致具有更高電化學(xué)活性的新表面暴露于溶液中，因此促進(jìn)了表面腐蝕，而腐蝕產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物層比較粗糙和疏松，其剪切強(qiáng)度比基底合金低得多，因此當(dāng)氧化鋁塊摩擦過合金表面時(shí)，很容易去除腐蝕產(chǎn)物層，進(jìn)而促進(jìn)了材料損失。腐蝕磨損條件下材料的損失量明顯比純磨損條件下的高。

3結(jié)論

1)?由于表面生成鈍化膜，Monel400合金在海水中浸泡時(shí)開路電位緩慢增加，在摩擦過程中的開路電位比未摩擦?xí)r的低。摩擦導(dǎo)致更低的自腐蝕電位和更高的自腐蝕電流密度。

2)?隨外加電位的增加，腐蝕電流增加，而摩擦系數(shù)降低。外加正電位促進(jìn)陽極反應(yīng)導(dǎo)致電流增加，氧的去極化反應(yīng)產(chǎn)生氫氧根離子，海水中的活性元素(比如Mg、Ca)會(huì)與OH一反應(yīng)生成Mg(OH)2及CaCO沉淀，它們?cè)诤Ｋ芯哂辛己玫臐櫥?，?dǎo)致摩擦系數(shù)隨電位的增加而降低。

3)腐蝕磨損存在交互作用，腐蝕對(duì)于磨損的促進(jìn)量是主要的交互作用機(jī)制。