PDF《超音速电弧喷涂 FeCrAl 涂层组织结构 与抗氧化性能研究》

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1 - 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:[email protected] 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 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.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

1 本课题得到山西省青年科技研究基金资助项目(20011019)资助. http://www.paper.edu.cn -

2 - 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δ=(W-W0)/S 测得(其中 W

0、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 20~40μm 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] . 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CrO2和Fe-Al金图1FeCrAl 涂层表面形貌 Fig.1 SEM image of FeCrAl coating surface 图1FeCrAl 涂层表面形貌 Fig.1 SEM image of FeCrAl coating surface 图2FeCrAl 涂层氧化前表面能谱图 Fig.2 EDS spectra for surface of the FeCrAl coating before oxidation 成份:(Wt%) Fe: 49.74 Cr: 20.

29 Al: 2.07 O: 27.9 http://www.paper.edu.cn -

3 - 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 O2 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 Fe2O3 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 Cr2O3 保护膜,使氧化速度大大降低. 氧化中后期(20~100h)带FeCrAl 涂层试样氧化速度降低,氧化动力学曲线变平缓,基 本符合抛物线规律,100h 后氧化增重速率在 40μg/mm2 左右.无涂层的

20 钢试样在 20h 后 仍呈现较高的氧化增重速率,动力学曲线呈直线规律且斜率较大,氧化速度加快,100h 后 氧化增重速率已超过了 160μg/mm2 ,是FeCrAl 涂层试样的

4 倍,说明涂层表现出良好的抗 氧化性能.

20 40

60 80

100 120

0 200

400 600

800 1000 Fe-Al Fe-Cr CrO2 Diffraction intensity Diffraction angel 2θ o α-Fe 图4FeCrAl 涂层氧化前 X 射线衍射谱 Fig.4 XRD spectra for the FeCrAl coating before oxidation

0 20

40 60

80 100 -10

0 10

20 30

40 50

60 70

80 90

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120 130

140 150

160 170

180 Gain weight μ g/mm

2 Time (h) FeCrAl 20G 图5FeCrAl 涂层及

20 钢在

680 ℃氧化动力学曲线 Fig.5 Oxidation kinetics curves of FeCrAl coating and 20G at

680 ℃ 图3FeCrAl 涂层截面形貌 Fig.3 SEM image of FeCrAl coating cross section http://www.paper.edu.cn -

4 - 2.3 氧化后形貌、物相及分析 用扫描电镜观察氧化 100h 后试样的表面形貌(图6)发现,孔隙减少,球状颗粒尺寸 变大且边界变得不明显.对涂层进行 XRD 分析可知(图7) ,涂层氧化后表面致密层主要是 Cr2O3,还含有一定量的 Fe2O3 和FeCr 固溶体.说明涂层中形成了致密的 Cr2O3 氧化膜对基 体起了保护作用.其原因有:(1) Cr 与O的亲和力大于 Fe 和O的亲和力,在发生氧化反应 时O优先与 Cr 结合,形成致密 Cr2O3 保护膜,使基体

20 钢得到保护.(2) 本试验涂层中 Cr 的质量分数大于 20%,满足形成稳定氧化膜的条件,由合金内部提供的 Cr 量大于通过氧 化物向外扩散被氧化的 Cr 量, 且合金的互扩散系数足够大, Cr 能从氧化层内部扩散到外部, 有足够的 Cr 形成连续 Cr2O3 氧化膜[5] . (3)Cr 所生成的氧化物的体积大于金属原子的体积, 且线膨胀系数与基体接近, 不会产生较大的内应力使涂层破裂, 因而能有效地将金属基体包 覆起来,防止基体进一步氧化[6,7] .综上,FeCrAl 涂层的抗氧化性主要得益于涂层中的合金 元素 Cr,形成了以 Cr2O3 为主的致密保护层. 3. 结论 (1)FeCrAl 涂层的组织呈现出典型的层状结构特征,表面主要由球状氧化物组成,涂层组 织主要是体心立方晶格 Fe-Cr 固溶体和 α- Fe 相及少量 CrO2. (2)经680 ℃氧化 100h 氧化后,20 钢氧化增重速率是 FeCrAl 喷涂层氧化增重速率的

4 倍 左右.FeCrAl 涂层的抗氧化性能优于

20 钢. (3)FeCrAl 涂层的抗氧化性主要得益于涂层中的合金元素 Cr,形成了以 Cr2O3 为主的致密 保护层. 参考文献 [1] 吴非文.《火力发电厂高温金属运行》[M].北京:水利电力出版社,1978. [2] 王汉功著.《 超音速电弧喷涂技术》[M].北京:国防工业出版社,1999. [3] TomaD,BrandlW,MargineanG. Wear and corrosion behaviour of thermally sprayed cermet coatings [J].Surface and Coatings Technology,2001(2):149-158. [4] 孟凡军,徐滨士,朱胜,等. 高速电弧喷涂Fe-Al涂层在800℃下的氧化性能[J].中国腐蚀防护学 报,2004,24(6):368-371. [5] 翟金坤.《金属高温腐蚀》[M] .北京:航空航天大学出版社,1993:72-74. [6] Xiaodong Wu, Duan Weng. Effects of plasma-sprayed NiCrAl/ZrO2 intermediate on the combination ability of 图6FeCrAl 涂层氧化后表面形貌 Fig.6 SEM image of FeCrAl coating after oxidation

20 40

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0 200

400 600

800 1000 Fe-Cr Fe2 O3 Cr2 O3 Diffraction intensity Diffraction angel 2θ o 图7FeCrAl 涂层氧化后 X 射线衍射谱 Fig.7 XRD spectra for the FeCrAl http://www.paper.edu.cn -

5 - coatings [J].Surface and Coatings Technology. 2001(140): 231-237. [7] Shi-cheng Wei,Bin-shi Xu, Hai-dou Wang.Comparison on corrosion-resistance performance of electro-thermal explosion plasma spraying FeAl-based coatings [J].Surface and Coatings Technology.2007(201):5294-5297. Study on Microstructure and Oxidation Resitance Properties of FeCrAl Coatings Produced by Supersonic Arc Spraying LiuJie, HuLan-Qing, XuBing-She

1 College of Materials Science and Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan, PRC, (030024)

2 Key Laboratory of Interface Science and Engineering in Advanced Materials of Taiyuan, University of Technology, Ministry of Education, Taiyuan, PRC, (030024) Abstract In this paper , FeCrAl Coatings were prepared on 20G substrate by supersonic arc spraying technology. The specimens were analyzed by means of conventional X-ray diffraction (XRD), the micrograph of the sample analysis was performed using scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) for elemental analysis and test the properties of oxidation resistance at 680℃.Results indicated that the FeCrAl coatings was consisted of cubic body-centered Fe-Cr solid solution and α-Fe phase, with a few CrO2 .The excellent oxidation resitant properties of FeCrAl Coatings was benefited from the element Cr , which formated the compact protective layer mainly consisted of Cr2O3. Key words: supersonic arc spraying;

oxidation resitance property;

FeCrAl coating 作者简介:刘杰(1979-),男,硕士研究生,主要从事压力容器、管道的无损检测,焊接 与热喷涂涂层组织与性能的研究.