超音速电弧喷涂FeCrAl涂层组织结构

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, 21 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：TG174.4420. 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: 49.74Cr: 20. 29Al: 2.07O: 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。

204060801001202004006008001000Fe-AlFe-Cr CrO 2D i f f r a c t i o n i n t e n s i t yDiffraction angel 2θoα-Fe图4 FeCrAl 涂层氧化前X 射线衍射谱Fig.4 XRD spectra for the FeCrAl coatingbefore oxidation图3 FeCrAl 涂层截面形貌Fig.3 SEM image of FeCrAlcoating 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 theFeCrAl coating before oxidation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40g/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160g/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。

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。

020*********-10102030405060708090100110120130140150160170180Gainweightg/mm2Time (h)FeCrAl20G图5 FeCrAl涂层及20钢在680 ℃氧化动力学曲线Fig.5 Oxidation kinetics curves of FeCrAlcoating and 20G at 680 ℃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 coatings [J].Surface and Coatings Technology. 2001(140): 231-237.[7] Shi-cheng Wei,Bin-shi Xu, Hai-dou parison 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 SprayingLIU, Jie HU, Lan-Qing XU, Bing-She1 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)AbstractIn this paper , FeCrAl Coatings were prepared on 20G substrate by supersonic arc sprayingtechnology. 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。