超音速电弧热喷涂 FeCoCr 涂层高温氧化性能研究
陈智敏, 胡兰青, 许并社
材料热处理技术
摘 要：利用超音速电弧热喷涂技术在 20 钢表面制备 FeCoCr 涂层，在 700 ℃下对试样进行 100h 高温氧化试验。利用金相显微镜、扫描电镜对试样进行组织形貌分析，利用 X 射线衍射仪对试样表面进行了物相分析。 结果表明：涂层组织致密均匀，与基体结合良好；FeCoCr 涂层试样的抗氧化性比基材提高 3 倍多，其原因是涂层试样氧化后生成致密、无剥落的 Cr2O3和 CoO 氧化膜。
关键词：热喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/；超音速电弧热喷涂； FeCoCr 涂层； 抗高温氧化性
目前我国还是一个以火力发电为主的国家，电力行业的供电稳定直接关系到其他行业的快速稳定发展， 由于电厂的锅炉管道曝露在高温氧化的环境下，这种高温氧化环境加速了管道的损坏速度，常使服役管道不到检修期就造成爆管[1]。 为此，很多企业采用了在管道上喷涂防腐耐磨材料的方法， 以延长管道寿命、 节约成本。 本文在 20 钢基材上喷涂了FeCoCr 涂层并与 20 钢对比做了 700℃下 100h 高温氧化实验，分析了 FeCoCr 涂层抗高温氧化的原因。
1 实验材料及方法
实验采用准25mm×6mm 的 20 钢基材， 其化学成 分 ( 质 量 分 数 ，% ) 为 ：0.17 ～0.24C，0.17 ～0.37Si，0.35～0.65Mn，P≤35，S≤35，余为 Fe。 喷涂材料为 准2mm 的 FeCoCr 粉芯丝材。采用 CDMAS300 系统和 HAS-02 高速喷枪，喷涂工艺参数为：电压 32V，电流 180A，喷枪与试样距离 250～300mm，雾化压力 0.50～0.60MPa，送丝速度 3.0m/min。 将 20 钢试样粗磨、除锈，在酒精中超声波去污、 喷砂粗化以提高涂层和基体材料的机械咬合强度，预热试样后，在其表面喷涂一层厚 200μm的FeCoCr 涂层[2]。
高温氧化试验采用静态恒温氧化法， 用精度为0.1 mg 的 BS110S 型电子天平进行氧化称重。 使用空气作为试验气氛，总氧化时间 100h，在电阻炉内700 ℃恒温下经过不同时间段加热后称重。 氧化累积增重曲线由公式 δ=(W-W0)/S 计算得出(其中 W0、W 分别为氧化前和氧化后的质量，S 为试样表面积)。用 DMM-400C 光学显微镜对截面进行金相组织观察；用 JSM-6700-F 型场发射扫描电镜对试样氧化形貌进行观察；用 TN-5400 型能谱仪对涂层进行成分分析，并用 D/max-3CX 型X 射线衍射仪对涂层表面进行物相分析。
2 结果与讨论
2.1 原始试样组织形貌分析
将涂层试样沿截面制成金相试样， 其组织如图 1所示。 可看出，涂层呈流线状，厚度大约 200μm，与基体结合良好，涂层内部组织均匀致密，喷涂粒子呈扁平状，说明喷涂粒子到达 20 钢表面时速度和温度较高，变形充分，这是超音速喷涂优于普通喷涂的地方[3]。
对涂层进行能谱分析， 其主要成分 (质量分数%，半定量)为：50～55Co，19～25Fe，15～20Cr，少量的 3～5Si 和 8～13O。 由图 2 可知， 涂层内有CoFe、(Cr，Fe) 及 SiO2，Si 在喷涂过程中除具有还原剂作用外，还增加了熔融金属的润湿性， 降低了喷涂过程中涂层金属的氧化和喷涂材料的熔点[4]， 提高了涂层质量。
2.2 氧化动力曲线分析
将 20 钢基材试样和 FeCoCr 涂层试样在 700℃下进行 100h 高温氧化试验，其增重曲线如图 3 所示。氧化的最初阶段，氧化过程以界面反应为主[5]，两种试样的质量增加都很快[6]，此时试样表面的晶界和缺陷都是氧化物形核的地方，尤其是 20 钢最初 20h形成的氧化皮薄，并且容易爆裂剥落，防护作用很小，20 h 后 20 钢表面变得粗糙，氧化皮先形成鼓包，并长大剥落，此时界面反应和扩散传质共同控制 20 钢的氧化质量增加，质量增加速率稍有降低，但 20 钢的氧化膜的保护性差， 它的质量增加速率仍明显高于涂层试样。 从 FeCoCr 涂层试样增重曲线可以看出，氧化初期，经过一段快速增重的界面氧化反应后，涂层形成了完整致密的氧化膜， 这种氧化膜与涂层材料紧密结合在一起，不易剥落，此后氧化过程以扩散传质为主[4]，氧化膜具有保护性，能够减缓或阻止内部材料的进一步氧化，使氧化增重速率逐渐降低，氧化膜由形成阶段转为增长阶段，表现为增重曲线逐渐平缓，整体呈现抛物线趋势[7]。 20 钢在空气中氧化 100 h 后的平均质量增加 230μg/mm2，FeCoCr 涂层试样质量增加 60μg/mm2，20 钢基材的氧化质量增加是喷涂材料的 3 倍多， 这表明涂层试样的高温抗氧化性明显优于 20 钢基体材料的高温抗氧化性[8]。
2.3 氧化后形貌和物相分析
对 700℃下进行 100h 高温氧化的试样进行宏观观察，结果如图 4 所示。 20 钢基材可看到明显的氧化皮剥落[9]；而 700 ℃下进行 100 h 高温氧化涂层宏观上只有颜色变深，没有其它明显变化，更看不到剥落和鼓包[10]。
对氧化 100h 的 FeCoCr 涂层试样进行 SEM 观察及能谱分析，结果见图 5。 可知，表层形成致密的氧化膜，由表层(图谱 1)和次表层(图谱 2)能谱分析可以看出，表层氧含量高，次表层氧含量低，说明表层氧化充分，但氧的扩散传质还没有达到内层。
对氧化后试样进行 XRD 物相分析，结果如图 6所示。 20 钢基材表层形成了大量的 Fe 的氧化物Fe2O3，Fe3O4和 FeO，这些氧化物结构疏松，并且容易爆裂剥落， 氧化层不能阻止氧对内部金属的氧化腐蚀，因此抗氧化性差。涂层试样氧化后表层主要形成Cr2O3氧化膜。 因为涂层氧化过程中 Cr 不断向外扩散，O 向内扩散，不断形成新的氧化膜，当氧化膜达到一定厚度时， 就起到阻碍 O腐蚀内部金属的作用，由于 Cr2O3的结构致密[11-12]，缺陷少，元素在其中的传输慢，动力学上的质量增加曲线逐渐趋于平稳，遵循抛物线规律[13]。 除了 Cr2O3外，涂层中还形成了一定量的 CoO[14]。
3 结论
(1) 超音速电弧热喷涂 FeCoCr 涂层与基体结合良好，喷涂层组织致密均匀，呈流线形分布。
(2) 700 ℃ 氧 化 100 h，20 钢 的 质 量 增 加 是FeCoCr 涂层试样的 3 倍多，说明涂层试样的高温抗氧化性优于 20 钢试样，其原因是涂层表面形成致密的 Cr2O3和 CoO 氧化膜。
参考文献略
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