DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-37964

(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的制备与耐腐蚀性能研究

李文虎^{1, 2}，樊战博¹，艾桃桃^{1, 2}，董洪峰^{1, 2}，张  良¹

(1. 陕西理工大学 材料科学与工程学院，汉中 723000；

2. 陕西理工大学 矿渣综合利用环保技术国家地方联合工程实验室，汉中 723000)

摘  要：采用放电等离子热压烧结工艺制备了不同含量W掺杂的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷，对金属陶瓷的物相组成、微观组织结构与耐腐蚀性进行了表征和分析。结果表明，制备的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷主要由(Mo,W)₂NiB₂陶瓷相和Ni基粘结相组成。当W掺杂量为0.15%(摩尔分数)时，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷表现出最佳的耐腐蚀性能，具有最大的自腐蚀电位和最小的自腐蚀电流密度，分别为-0.889 V vs. SCE、53.31 μA/cm²，腐蚀表面所形成的具有保护作用的钝化膜电阻最大，为34.99 kΩ/cm²。

关键词：(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷；微观组织；耐腐蚀性能

文章编号：1004-0609(2021)-xx--　　     中图分类号：TG148　　     文献标志码：A

引文格式：李文虎, 樊战博, 艾桃桃, 等. (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的制备与耐腐蚀性能研究[J]. 中国有色金属学报, 2021, 31(x): xxxx-xxxx. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-379640

LI Wen-hu, FAN Zhan-bo, AI Tao-tao, et al. Preparation and corrosion resistance of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2021, 31(x): xxxx-xxxx. DOI: 10.11817/j.ysxb.1004.0609.2021-37964

金属陶瓷材料是一种介于金属与陶瓷之间的先进结构材料^[1]，兼具金属的良好塑性、传热性以及受热形变小的优异性能，以及陶瓷优异的的抗氧化、耐高温、耐磨耐蚀等良好性能^[2]。目前，金属陶瓷材料凭借其优异的使用性能，已经在机床刀具、易磨损管道等工业领域得到广泛应用^[3-6]。与WCoB和Mo₂FeB₂基金属陶瓷材料相比，Mo₂NiB₂基金属陶瓷材料具有更加优异的耐腐蚀性能^[7-9]。

TAKAGI等^[10]研究发现，合金元素Fe、Co、Ti、Zr、Nb、W等的掺杂不改变Mo₂NiB₂基金属陶瓷主晶相的晶体结构。WANG等^[11]研究发现，Mo₂NiB₂金属陶瓷涂层在制备过程中原位合成的Mo₂NiB₂相和{FeM}相具有较好的耐腐蚀性，在Mo:B比为0.8时，Mo₂NiB₂金属陶瓷涂层耐蚀性最佳。SHIOTA等^[12]研究了50 ℃环境下，在10%盐酸和硝酸中，腐蚀20h后的腐蚀失重，发现添加Cr和V的Mo₂NiB₂基金属陶瓷在盐酸中的耐腐蚀性明显高于SUS304不锈钢。张恒等^[13]研究了Mo₂NiB₂基金属陶瓷在5%NaCl(质量分数)腐蚀液中的极化曲线，发现在添加5%Cr(质量分数)后的Mo₂NiB₂基金属陶瓷的极化曲线中出现了钝化区，故而其表现出更加优异的耐腐蚀性能。但文献[10]也表明，Ti、Zr、Nb和W的掺杂会降低Mo₂NiB₂基金属陶瓷的抗弯强度和断裂韧性。

目前，关于W掺杂制备的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的耐腐蚀性能的研究尚不充分，本研究采用放电等离子热压烧结工艺制备了不同含量W掺杂的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷，并对金属陶瓷的物相组成、微观组织结构与耐腐蚀性进行了表征和分析，力求揭示其耐腐蚀机制。

1  实验

本文采用纯Mo粉(粒度为2 μm，纯度为99.98%)、Ni粉(粒度为2 μm，纯度为99.5%)、B粉(粒度为1 μm， 纯度为99.9%)、W粉(粒度为2 μm，纯度为99.98%)和C粉(粒度为1.5 μm，纯度为99.98%)为实验原料，制备掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷。以Ni-6B-48Mo-0.8C(质量分数，%)为基础组成，设计不同摩尔分数(0.05%，0.1%，0.15%和0.2%)的W取代等量的Mo，从而制备出不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷。其具体化学成分配比如表1所示。

表1 实验原料的成分配比

Table 1  Composition ratio of raw materials (mass fraction, %)

称量不同粉末后装进刚玉球磨罐中进行球磨混料，球料质量比为1:1，球磨机转速为150 r/min。球磨混料后过300目筛，装入Φ50的石墨模具中，进行真空放电等离子烧结。其详细工艺参数如下：升温速度设定为50 ℃/min，烧结压力设定为3.75 T，烧结时控制最高烧结温度为950 ℃，真空度大于1×10^-2 Pa。使用线切割机床将烧结试样分别加工成5 mm×5 mm×10 mm的测试样品。然后将切割好的试样在80^#~2000^#的金相砂纸上分别进行粗磨、细磨及抛光处理，进行微观组织观察和电化学测试。

用日本理学公司生产的D/max-2200PC型X射线衍射仪对试样进行物相检测分析，具体实验参数如下：选择Cu K_α靶作为辐射源，管电压为40 kV，管电流为40 mA，衍射角度2θ为20°~80°，扫描速度为4 (°)/min。用FeCl₃、HNO₃和无水乙醇按相应配比配制腐蚀液，将腐蚀好的样品在JSM-6390LV型扫描电子显微镜进行显微组织观察。

用饱和氯化钾溶液制成的电极作参比电极，测试试样为工作电极，铂电极为反电极，在3.5%NaCl溶液中，采用三电极电化学电池对制得的金属陶瓷试样进行电化学试验测试。测试时，先去除试样表面的氧化膜，并测量开路电位，待电位稳定后，在10^-1 Hz至10⁵ Hz的频率范围内以10 mV的振幅测量金属陶瓷的电化学阻抗谱，然后测量试样的Tafel曲线，设置电压区间为-1.2 V至+1 V，扫描速度为0.5 mV/s。

2  结果与分析

2.1  (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的物相组成与微观组织

图1所示为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的XRD衍射图谱。从图1可以看出，用放电等离子烧结法制备的W掺杂Mo₂NiB₂基金属陶瓷，Mo₂NiB₂相的特征衍射峰向低布拉格角度发生了微弱偏移，这是因为Mo的原子半径略小于W的原子半径，W固溶进入到Mo₂NiB₂相后，进而取代了Mo₂NiB₂相中的部分Mo，形成了(Mo,W)₂NiB₂陶瓷相。根据布拉格方程可知，衍射级数n与X射线的波长λ没有发生改变，故当衍射面间距d变大时，的值会减小，由正弦定理可知，在0°~90°的范围内，θ也会随的减小而减小，因此(Mo,W)₂NiB₂的衍射峰会向低布拉格角度方向发生偏移。此外，由于少量Mo固溶到Ni基粘结相中，形成了固溶体相，也引起了晶体结构发生畸变，由布拉格方程可知，Ni的特征衍射峰也会向低布拉格角度方向发生偏移。另外，随着W含量的逐渐增多，(Mo,W)₂NiB₂陶瓷相的体积分数越来越大，其特征衍射峰的峰强越来越强，从而可以说明W的掺杂能够促进(Mo,W)₂NiB₂固溶体相的形成。

根据YUAN^[14]的研究可知，在掺杂W的Mo₂NiB₂基金属陶瓷的烧结过程中，在800 ℃左右时，Mo与B发生反应进而生成MoB，随着烧结温度的进一步升高，生成的MoB将会与Ni发生反应从而生成Mo₂NiB₂相。伴随Mo₂NiB₂相的形成，W固溶进入到Mo₂NiB₂相中，进而与Mo₂NiB₂中的部分Mo发生取代反应，最终形成了(Mo,W)₂NiB₂。其详细反应过程如下：

Mo+B=MoB                             (1)

2MoB+Ni=Mo₂NiB₂                       (2)

2W+Mo₂NiB₂= (Mo,W)₂NiB₂                (3)

图2所示为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的微观结构照片。从图2中可以看出，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷主要由两相组成，陶瓷相(Mo,W)₂NiB₂呈浅灰色，Ni基粘结相呈深灰色。掺杂0.05%和0.1% W时，Ni基粘结相均匀包裹着(Mo,W)₂NiB₂陶瓷相，孔隙率较少，组织致密性较高。从图2(e)中可以看出，硬质相与粘结相两相结构分布的均匀性相对变差，并且有较多的孔洞生成，组织结构致密性变差。

图1  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的XRD谱

Fig. 1  XRD patterns of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

图2  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的组织照片

Fig. 2  Microstructure pictures of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

2.2  (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的力学性能

表2所列为掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的硬度、抗弯强度和断裂韧性。从表2可以看出，通过掺杂，W与部分Mo发生原子占位取代反应，W固溶进入到Mo₂NiB₂硬质相中，形成(Mo,W)₂NiB₂陶瓷固溶体相，晶体结构产生较大的变形，伴随晶体结构的畸变，使得(Mo,W)₂NiB₂固溶体相比Mo₂NiB₂硬质相能够承受更大的外部载荷，表现为金属陶瓷的硬度值增大。掺杂0.1% W时，金属陶瓷的抗弯强度值最大，为823.36 MPa；当W的掺杂量增大到0.2%时，试样的抗弯强度值最小，为755.74 MPa。当W的掺杂量为0.05%和0.1%时，W取代了部分Mo，形成了(Mo,W)₂NiB₂固溶体相，进而对基体起到了固溶强化的作用，因此(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的抗弯强度值得到提高。当W的掺杂量为0.15% 时，抗弯强度值开始降低，主要由于当W的掺杂量超过一定值时，烧结试样的致密性降低，抗弯强度值下降。根据余海州^[15]的研究可知，金属陶瓷断裂韧性随着粘结相含量的增加而增加。W的掺杂使(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的断裂韧性开始逐渐降低，主要原因是金属W具有较大的硬度，但是延展性能差，不能充分吸收裂纹扩展时的能量，因此不能显著改善(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的断裂韧性。

表2  (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的密度与力学性能

Table 2  Density and mechanical properties of (Mo,W)₂NiB₂ cermets

2.3  (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的耐腐蚀性能

图3所示为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的极化曲线图。Tafel曲线表现出典型的阳极极化行为。从图3中可以看出，未掺杂W的Mo₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电位值最小，掺杂0.15%W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电位值最大，而且发现掺杂W后的所有(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电位均发生右移，即自腐蚀电位值增大。说明通过合金元素W的掺杂生成(Mo,W)₂NiB₂相，能够明显提高材料的耐腐蚀性能。从图3还可以看出，掺杂不同含量W后，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的阴极支路都表现出相似的电化学腐蚀行为。然而在阳极支路中的电化学腐蚀行为却不尽相同，并且发现在一定范围内，腐蚀电流值不随腐蚀电位值的增大而增大。表明在腐蚀表面形成了一层钝化膜，阻止了材料的电化学腐蚀过程，进而对材料起到了保护作用。然而随着腐蚀电位的继续增大，材料表面的钝化膜层被击穿，腐蚀电流密度再次随着腐蚀电位的增大而增大。

图3  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的极化曲线图

Fig. 3  Polarization curves of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

图4所示为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学腐蚀形貌图。从图4中可以看出，经过电化学腐蚀后，所有(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的腐蚀表面均有腐蚀坑洞出现。随W掺杂量的增多，试样表面的腐蚀坑数量减少，说明W的掺杂能够使(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的耐腐蚀性能提高。当W的掺杂量增加到0.15%时，试样表面的腐蚀坑数量最少(见图4(d))，表明此掺杂量下的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的耐腐蚀性能最好。随着W掺杂量的继续增多，腐蚀坑数量再次增多，并且腐蚀坑深度加深，表明材料的耐腐蚀性能相对下降。

图4  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学腐蚀形貌照片

Fig. 4  Electrochemical corrosion morphologies of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

表3所列为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学腐蚀参数值。从表中可以看出，所有样品的自腐蚀电位在-0.889 V至-0.933 V的范围内变化，自腐蚀电流密度在53.311 μA/cm²至130.171 μA/cm²的范围内变化。未掺杂W的Mo₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电流密度值最大，说明此时材料的耐腐蚀性能最差。掺杂W后，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷自腐蚀电流密度减小。并且发现当W的掺杂量为0.15%时，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电位值最大，而且此时相应的自腐蚀电流密度最小，表明此时的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料的耐腐蚀性能最佳。

表3  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学腐蚀参数

Table 3  Electrochemical corrosion parameters of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

图5所示为掺杂不同W含量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学阻抗谱图。图5(a)所示为不同W掺杂量的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷在3.5%NaCl溶液中的Nyquist图谱。从图5(a)中可以看出，未掺杂W的Mo₂NiB₂基金属陶瓷的容抗弧半径最小，表明此时材料的耐腐蚀性能最差；当W的掺杂量达到0.15%时，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料的容抗弧半径最大，说明此时的材料具有最佳的耐腐蚀性能，这与Tafel曲线腐蚀参数中得出的结论相一致。

图5  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学阻抗谱图

Fig. 5  Electrochemical impedance spectra of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

图5(b)所示为频率与相角的Bode图谱。从图中可以看出，在10^-1至10⁰的低频范围内，掺杂0.15%W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料的相角值基本上不随频率的变化而发生变化，这可能与腐蚀表面形成的起保护作用的钝化膜的双层结构有关。钝化膜的双层结构由外部多孔层和内部致密层组成。此外，还发现当W的掺杂量达到0.15%时，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料的相角值最大，约为63°左右，说明此时材料的耐腐蚀性能相对较好。

使用电化学工作站自带的ZSimpWin 3.5软件对所测得的电化学阻抗数据进行等效电路拟合，确定等效电路为R(Q(R(QR)))，得到的等效电路模型图如图6所示。R_s为腐蚀溶液中的电阻，R_p为钝化膜外部多孔层的电阻，R_b为钝化膜内部致密层的电阻，Q_p为常相位角原件，Q_b为钝化膜内部致密层的电容。其中，R_p和R_b与电化学腐蚀过程中电荷的转移有关。

对测得的所有电化学阻抗谱图进行数据拟合，得到电化学阻抗拟合参数，如表4所示。从表中可以看出，所有样品的R_b值都比R_p值大。且R_p值相对较小，说明钝化膜外部多孔层的电阻值较小，孔洞率较大，几乎不对腐蚀过程起作用。另一方面，钝化膜内部致密层的电阻R_b值较大，说明在电化学腐蚀过程中，钝化膜内部致密层对Mo₂NiB₂基金属陶瓷材料的耐腐蚀性能起重要作用，能够阻止材料的电化学腐蚀过程。此外，发现未掺杂W的Mo₂NiB₂基金属陶瓷材料的R_b值最小，为4.69 kΩ/cm²，说明此时材料的耐腐蚀性能较差。当W的掺杂量达到0.15%时，(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料的R_b值最大，为34.99 kΩ/cm²，说明此时材料具有相对优异的耐腐蚀性能。

图6  等效电路模型图

Fig. 6  Equivalent circuit model diagram

表4  掺杂不同含量W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的电化学阻抗拟合参数

Table 4  Electrochemical impedance fitting parameters of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets doped with different W contents

2.4  (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的耐腐蚀机制

W、Mo、Ni、B的原子半径分别是0.141 nm、0.140 nm、0.124 nm、0.095 nm，可以看出，W和Mo的原子半径比较接近，W容易取代Mo，进入到Mo₂NiB₂的晶格，这样就减少了掺杂W原子在基体中的偏析，使得W在陶瓷相中分布的更为均匀。由于W原子略大于Mo原子，从而造成Mo₂NiB₂晶面间距的增大，降低了金属陶瓷材料中钝化元素原子的运动阻力，增强了原子的扩散能力，使得金属陶瓷表面钝化膜更容易形成。另外，W在陶瓷相中分布的均匀性，也提高了陶瓷表面钝化膜的均匀度和稳定性。

在本文中，W的掺杂使得(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷具有较好的耐腐蚀性能。但是，随着W掺杂量的增加，当W的含量超过0.15%时，硬质相与粘结相两相结构分布的均匀性与组织结构致密性变差，钝化膜形成的均匀性和稳定性也变差，因此耐腐蚀性能下降。

3  结论

1) (Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷材料主要由(Mo,W)₂NiB₂陶瓷相与Ni基粘结相两相组成。

2) 掺杂0.15%W的(Mo,W)₂NiB₂基金属陶瓷的自腐蚀电位值最大，而且此时相应的自腐蚀电流密度最小，为53.31 μA/cm²，钝化膜内部致密层的电阻最大，为34.99 kΩ/cm²，说明此时材料具有相对优异的耐腐蚀性能。

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Preparation and corrosion resistance of (Mo,W)₂NiB₂ based cermets

LI Wen-hu^{1, 2}, FAN Zhan-bo¹, AI Tao-tao^{1, 2}, DONG Hong-feng^{1, 2}, ZHANG Liang¹

(1. School of Material Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China;

2. National and Local Joint Engineering Laboratory for Slag Comprehensive Utilization and Environmental Technology, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract: (Mo,W)₂NiB₂ based cermets with different W contents were prepared by spark plasma sintering technology. The phase composition, microstructure and corrosion resistance of cermets were characterized and analyzed. The results show that (Mo,W)₂NiB₂ based cermets are mainly composed of (Mo,W)₂NiB₂ ceramic phase and Ni based bonding phase. When the W content is 0.15%, (Mo,W)₂NiB₂ based cermet exhibits excellent corrosion resistance. The self corrosion potential reaches the maximum and the self-current density reaches the minimum, which are -0.889 V vs. SCE and 53.31 μA/cm² respectively, and passive film formed by corrosion surface has maximum electric resistance which is 34.99 KΩ/cm².

Key words: (Mo,W)₂NiB₂ based cermets; microstructure; corrosion resistance

Foundation item: Project(51602186) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2020JM-599, 2020JQ-870) supported by the Natural Science Foundation of Shaanxi Province, China; Project(SLGPT2019KF01-04) supported by矿渣综合利用环保技术国家地方联合工程实验室开放项目

Received date: 2021-03-30; Accepted date: 2021-07-14

Corresponding author: LI Wen-hu; Tel: +86-916-2641512; E-mail: ccwhli@163.com

(编辑  )

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51602186)；陕西省自然科学基金资助项目(2020JM-599, 2020JQ-870)；矿渣综合利用环保技术国家地方联合工程实验室开放项目(SLGPT2019KF01-04)

收稿日期：2021-03-30；修订日期：2021-07-14

通信作者：李文虎，副教授，博士；电话：0916-2641512；E-mail：ccwhli@163.com