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Phase-controlled Tribocorrosion Mechanisms in Heat-treated Electrodeposited Ni–mo–b Coatings

本研究表明，通过热处理使电沉积 Ni–Mo–B 涂层形成富含 Mo₂NiB₂ 硼化物的微观结构，能够显著提高硬度，并通过将磨损机制从不稳定的氧化-粘附机制转变为稳定的氧化控制机制，从而稳定其在盐水环境中的摩擦腐蚀性能。

原作者： Svitlana Halaichak, Sergiy Korniy, Vadim Zakiev, Vasyl Vynar, Maksym Danylchuk, Marian Chuchman, Roman Mardarevych, Yuriy Verbovytskyy

发布于 2026-07-15

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CC BY 4.0

原作者： Svitlana Halaichak, Sergiy Korniy, Vadim Zakiev, Vasyl Vynar, Maksym Danylchuk, Marian Chuchman, Roman Mardarevych, Yuriy Verbovytskyy

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，你拥有一面金属盾牌，就像骑士盔甲上的护甲一样，但它不是由钢制成的，而是由一种特殊的镍混合物制成的。这面盾牌旨在同时抵御两个可怕的敌人：运动部件之间的磨损摩擦，以及盐水带来的腐蚀侵蚀。这项研究中的研究人员决定，通过给它一个“热浴”并调整其配方，来尝试升级这面盾牌。

神奇的热浴
把原始涂层想象成一碗混合了各种成分——镍、钼和硼——的碗，它们只是静静地堆在那里，并没有很好地协同工作。当科学家们将这些涂层放入一个温度高达 950 °C 的熔炉中加热 2 小时时，这就像是按下了超级强力搅拌机的“熔化与混合”按钮。这种热量不仅仅是让它们变暖；它触发了一场化学舞会，让成分融合在一起，形成了新的、超强韧的结构，称为硼化物。具体来说，它们创造了 Ni₃B 和 Mo₂NiB₂ 相。这就像是将一堆松散的沙子和碎石变成了坚固、不可摧毁的混凝土墙。

秘密成分：更多的钼
团队测试了两个版本的盾牌：一个含有 8 wt.% 钼的版本，以及一个“加强版”的 16 wt.% 钼版本。最酷的部分在于：通过将钼的含量翻倍，他们得到的不仅仅是多了一点点坚硬的东西，而是获得了一个巨大的飞跃。Mo₂NiB₂ 超硬相的数量增加了 3.75 倍。想象一下，如果你原本有一袋 4 块超强力的砖头，突然间你在同样的体积内拥有了近 15 块。这就是他们实现的升级。

结果：更硬、更刚、更光滑
这种新结构使涂层变得极其坚韧。研究人员测量了其硬度，发现其达到了高达 11.67 GPa，并且具有 292.5 GPa 的弹性模量，使其变得非常刚硬。为了让你有直观的概念，这就像是用手指按压橡胶球与按压钻石之间的区别。

但真正的魔力发生在他们测试这面盾牌在含 3% NaCl 的盐水（基本上就是一桶海水）中，同时被一个陶瓷球来回摩擦时的表现。这被称为“摩擦腐蚀”，这是一个形容“生锈与摩擦”的专业术语。

8% 钼盾牌： 这个版本表现尚可，但过得很艰难。随着摩擦的进行，摩擦变得不稳定，表面开始以一种杂乱的方式磨损，将氧化（生锈）与粘着（粘附磨损）混合在一起。这就像是在一个时而变得黏糊、时而又突然变得湿滑的地板上滑动一个沉重的箱子。
16% 钼盾牌： 这个版本完全改变了游戏规则。因为拥有更多那些坚韧的 Mo₂NiB₂ 砖块，它保持了冷静。摩擦系数稳定在约 0.2，且磨损轨迹比较弱的版本窄了 46%。它不再是混乱、不稳定的战斗，而是表面进入了一种稳定的节奏，形成了一层保护层并将损伤控制在一定范围内。

他们排除了什么
论文明确指出，原始的、未经加热的涂层要弱得多。事实上，未经处理的版本在抗腐蚀能力上分别比热处理后的版本低了 18.6 倍（对于 8% Mo）和 8.5 倍（对于 16% Mo）。因此，热处理不仅仅是一个微小的调整；它是从弱盾牌变为强盾牌的关键步骤。研究还表明，仅仅增加钼的含量而不进行热处理，并不能达到同样的效果；热处理是触发那些特定的、超硬硼化物相形成的必要条件。

底线
这项研究表明，通过精确控制混合物中钼的含量，并给予精确的热处理，你可以设计出一种涂层，它不仅能在摩擦与生锈的恶劣组合中生存下来，甚至能从中茁壮成长。拥有高浓度 Mo₂NiB₂ 的 16% 钼版本证明了自己是冠军，它提供了一个稳定的、低摩擦的表面，其抗磨损能力远胜于它的弱小同伴。对于需要保护机械设备应对严苛环境（如石油钻井平台或化工厂，那里时刻进行着磨损与腐蚀的战斗）的领域来说，这是一个充满前景的进步。

技术摘要：热处理电沉积 Ni–Mo–B 涂层的相控制摩擦腐蚀机制

问题陈述

在侵略性环境中运行的工业设备面临着机械摩擦载荷与腐蚀介质的复合作用，这会导致加速磨损、功能退化以及过早失效。虽然镍基涂层因其通过合金化实现特定需求的能力而具有前景，但电沉积 Ni–Mo–B 涂层通常存在相组成不均匀和硬度有限的问题，从而降低了其在严苛工业条件下的有效性。尽管热处理已知能提高结合强度并降低残余应力，但热诱导相变、摩擦化学膜形成以及这些涂层在复合载荷下的摩擦腐蚀磨损机制之间的具体关系仍缺乏深入研究。因此，有必要阐明硼化物相如何控制摩擦、磨损率以及在复合载荷下的电化学稳定性。

研究方法

本研究采用低合金 S355J2 钢作为基体，通过机械抛光、超声清洗和化学活化进行制备。Ni–Mo–B 涂层通过含有非晶硼悬浮液的柠檬酸盐电解液进行电沉积，电流密度分别为 2.5 和 5.0 A/dm²，得到的涂层中钼（Mo）含量分别约为 8 wt.% 和 16 wt.%。

涂层在惰性氩气气氛下于 950 °C 进行 2 小时的等温退火，以诱导扩散驱动的相变。表征手段包括：

结构分析： 利用扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散谱（EDS）进行形貌与成分分析；利用 X 射线衍射（XRD）结合 Rietveld 精修进行物相定量分析。
微机械测试： 采用动态纳米压痕技术（Oliver-Pharr 法）测定微硬度（ $H_v$ ）、弹性模量（ $E$ ）以及塑性/弹性变形功。
腐蚀评估： 在氩气鼓泡下的 3% NaCl 溶液中进行阳极极化测试，以评估钝化行为。
摩擦腐蚀测试： 在 3% NaCl 溶液中进行往复式“平面–球”摩擦实验（Al₂O₃ 球，10 N 载荷），以测量摩擦系数、磨损轨迹尺寸及摩擦电位演变。

主要贡献与结果

1. 相演变与微观结构

950 °C 的热处理触发了非晶硼在 Ni–Mo 基体中的扩散驱动转化。这产生了一种由镍硼化物（ $Ni_3B$ ）和三元硼化物 $Mo_2NiB_2$ 增强的复合微观结构。

随着 Mo 含量从 8 wt.% 增加到 16 wt.%，显著改变了相平衡：强化相 $Mo_2NiB_2$ 的比例增加了 3.75 倍（从 4% 增至 15%），同时总硼化物含量从 71% 上升至 92%。
微观结构在基体界面处具有一个扩散区，未观察到裂纹或孔隙。较高的 Mo 含量导致硬质相分布更细小且更均匀。

2. 微机械性能

相组成的演变直接提升了机械性能：

硬度： 从 9.555 GPa（8 wt.% Mo）增加到 11.67 GPa（16 wt.% Mo）。
弹性模量： 从 285.3 GPa 增加到 292.5 GPa。
变形行为： 16 wt.% Mo 涂层的塑性变形功降低了（约 16%）且弹性恢复能力得到改善，表明硼化物相实现了有效的弥散强化。

3. 耐腐蚀与摩擦腐蚀性能

耐腐蚀性： 热处理后的涂层与沉积态涂层相比，表现出显著更高的耐腐蚀性。在 3% NaCl 中，它们形成了稳定的钝化膜，限制了氯离子扩散。8 wt.% 和 16 wt.% Mo 涂层的腐蚀电位相当，但 8 wt.% 变体在初始阶段表现出稍高的活性溶解速率。
摩擦腐蚀机制：
- 8 wt.% Mo： 磨损机制特征为不稳定的氧化–粘着磨损，表现为摩擦系数的波动和表面损伤（微型胶合/划伤）。
- 16 wt.% Mo： 系统转向稳定的氧化主导机制。该涂层保持了稳定的摩擦系数（ $\mu \approx 0.2$ ）且波动极小。
耐磨性： 16 wt.% Mo 涂层表现出优异的抗机械–腐蚀复合降解能力，其磨损轨迹宽度较 8 wt.% 涂层减少了 46%（420 µm 对比 780 µm）。

意义与主张

本文认为， $Mo_2NiB_2$ 三元硼化物相的比例是决定磨损机制转变及摩擦腐蚀过程稳定性的控制因素。研究得出结论，950 °C 的热处理是实现强化结构相态的关键工艺步骤。

作者主张，经过热处理的 16 wt.% Mo Ni–Mo–B 涂层为增强在侵略性环境下的耐磨与耐腐蚀性能提供了科学依据。具体而言，这些涂层被认为是石油、天然气及化学工程系统中，在遭受严酷复合磨损–腐蚀载荷时，用于提升摩擦膜稳定性并减少协同降解的极具前景的保护方案。该工作强调了相工程是优化硼化物增强电沉积涂层性能的关键策略。