超音速电弧喷涂FeCrAl涂层组织结构
与抗氧化性能研究
刘杰1，胡兰青1, 2，许并社1, 2
1 太原理工大学材料科学与工程学院，太原（030024）
2 教育部新材料界面与工程重点实验室，太原（030024）
E-mail:pmsl6@
摘要：利用超音速电弧喷涂技术, 在20钢表面制成FeCrAl涂层。借助扫描电子显微镜、能谱仪和X-射线衍射仪分析了涂层氧化前后的形貌、成分及组织结构，测试了涂层在680℃的抗氧化性能。结果表明FeCrAl涂层主要由体心立方晶格Fe-Cr固溶体和α- Fe相组成，含少量CrO2。FeCrAl涂层的优良的抗氧化性能主要是得益于涂层中的合金元素Cr，在氧化试验中形成了以Cr2O3为主的致密保护层。
关键词：超音速电弧喷涂；抗氧化性；FeCrAl涂层
中图分类号：TG174.442
0. 引言
火电厂锅炉管一直处在高温、高压及受热烟气腐蚀、冲蚀的恶劣环境中，极易产生高温腐蚀及冲蚀，致使管壁减薄，每年减薄量约1mm，更有甚者可达5~6mm[1]。材料表面早期失效是造成发电厂非计划停机的主要原因，在锅炉事故中锅炉管的暴漏事故又占据一大半。所以，锅炉管的高温腐蚀和烟气冲刷磨损已成为一亟待解决的关键问题，解决这一问题的经济可行的途径是使用具有良好导热性的防磨损、防氧化的薄涂层。铁铝金属间化合物具有优良的高温耐磨损、抗氧化性能, 但因为低的塑性而难于加工。超音速电弧喷涂具有熔滴喷射速度高、雾化效果好、涂层的结合强度高和涂层的孔隙率低等优点[2]。采用FeCrAl粉芯丝材，利用超音速电弧喷涂技术制成FeCrAl涂层，可以解决铁铝金属间化合物加工成形困难的缺点。本文对超音速电弧喷涂FeCrAl涂层和20钢在680℃温度下100h的空气中氧化前后的组织结构和抗氧化性进行了研究，分析了20钢和FeCrAl涂层试样的氧化动力学曲线，讨论了FeCrAl涂层氧化前后的物相变化，以期为FeCrAl涂层的设计和抗氧化性的改善提供理论依据1。
1本课题得到山西省青年科技研究基金资助项目(20011019)资助。
1．实验材料及方法
1.1试验材料
喷涂材料为Φ2mm的FeCrAl粉芯丝材。喷涂用基体材料为20钢，主要化学成分(质量分数, % )为C 0.17～0.24，Si 0.17～0.37， Mn 0.35～0.65， Ni、Cr≤0.25，Cu≤0.25。采用电火花线切割成尺寸为Φ25mm×7mm待喷涂试样。
1.2涂层制备
采用CDMAS300系统和HAS- 02 高速喷枪。喷涂的工艺参数为：喷涂电压为32 V，喷涂电流180A，喷涂距离250～300mm，雾化压力0.50～0.60MPa，送丝速度3.0m/min。试样用砂纸磨平经抛光去油并在酒精中超声波清洗，去除表面油污, 然后喷涂面喷砂粗化, 提高表面粗糙度。在基体上喷涂厚约0.30mm的涂层。
1.3 组织形貌分析
用JSM-6700-F型场发射扫描电子显微镜观察试样表面和截面的形貌结构特征。用TN-5400型能谱仪对样品微区成分元素种类及含量进行分析。用D/max-3CX X射线衍射仪确定样品的相组成。
1.4高温氧化试验
高温氧化试验采用静态恒温氧化方法，用BS110S型电子天平进行氧化称重，其精度为0.1m g。使用空气作为试验的气氛, 总的氧化时间为100 h，在电炉内恒温680 ℃下经不同时间段氧化后称重。氧化增重由关系式=(W-W0)/S测得（其中W0、W分别为氧化前和氧化后重量，S为试样表面积）。
2.试验结果及分析
2.1涂层的组织形貌
图1 为FeCrAl涂层的表面形貌图，涂层表面主要由直径在20~40m之间的球状颗粒及少量孔隙组成，在喷涂试验条件下，超音速气流雾化作用很强，丝材熔化后被充分雾化,得到十分细小的喷涂粒子，熔融喷涂粒子高速飞行后不断沉积喷溅形成球状颗粒[3]。对涂层表面球状颗粒进行能谱分析（图2），表层球状颗粒成分主要由Fe、Cr 、Al、O元素组成。超音速电弧喷涂过程中喷涂粒子温度较高，同时处于压缩空气流中，最表层较容易发生氧化，且在到达基体表面前部分凝固形成固体氧化膜，所以涂层表面球状颗粒多为Fe、Cr、Al的氧化物[4]。
成份：(Wt%)
Fe: 49.74
Cr: 20. 29
Al: 2.07
O: 27.9
图3为FeCrAl 涂层的截面形貌图，涂层组织呈现典型的层状结构特征，组织致密，孔隙
率较低。涂层主要由浅灰色层状物和灰色带状物组成。对微区进行能谱分析确定浅灰色层状物所含元素为Fe 、Cr ，灰色带状物所含元素为Fe 、Cr 、Al 、O 。对涂层进行XRD 分析（图4）可知，FeCrAl 涂层主要由体心立方晶格Fe-Cr 固溶体和α- Fe 相组成，含少量CrO 2和Fe-Al 金属间化合(FeAl)。
2.2氧化动力学曲线分析
将有FeCrAl 涂层的20钢和无涂层的20钢试样放入箱式电炉内在680℃进行100h 的抗氧化试验。图5为试样的氧化动力学曲线，可以看出，氧化初期（0~20h ），涂层中的Fe 与Cr 和20钢基体中Fe 很容易通过扩散与空气中O 2发生氧化反应，两个试样氧化增重均较快,但20钢试样增重速率是有涂层的20钢的3倍左右，原因是20钢表面被氧化形成Fe 2O 3 氧化层，结构疏松，基体持续以较高的速度被氧化。带FeCrAl 涂层20钢涂层中Cr 优先与O 结合，形成致密的Cr 2O 3保护膜，使氧化速度大大降低。
20
40
60
80
100120
200
400
600
800
1000
Fe-Al
Fe-Cr CrO 2D i f f r a c t i o n i n t e n s i t y
Diffraction angel 2θ
o
α-Fe
图4 FeCrAl 涂层氧化前X 射线衍射谱
Fig.4 XRD spectra for the FeCrAl coating
before oxidation
图3 FeCrAl 涂层截面形貌
Fig.3 SEM image of FeCrAl
coating cross section
图1 FeCrAl 涂层表面形貌 Fig.1 SEM image of FeCrAl coating surface
图1 FeCrAl 涂层表面形貌 Fig.1 SEM image of FeCrAl coating surface 图2 FeCrAl 涂层氧化前表面能谱图 Fig.2 EDS spectra for surface of the
FeCrAl coating before oxidation
