增強相α–SiC添加量對Fe-Al復合涂層的性能影響分析

孫志娟

摘? ?要：本文利用高速火焰噴涂工藝，依據增強相α–SiC添加量的不同，在20鋼基材上制備出Fe-25Al/7SiC、Fe-25Al/11SiC、Fe-25Al/15SiC三種復合涂層，以期尋找防護鍋爐“四管”的新材料。對復合涂層的結合強度、抗熱震性能進行測試與分析，結果表明Fe-Al/SiC復合涂層性能優異，尤以Fe-25Al/11SiC復合涂層最佳。增強相α–SiC添加量的不同，導致三種涂層的性能存在差異。

關鍵詞：α–SiC? 結合強度? 抗熱震性

中圖分類號：TG174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）05（b）-0072-03

Abstract：In this paper， three metal-ceramic composite coatings Fe-25Al/7SiC，Fe-25Al/11SiC and Fe-25Al/15SiC were made by high velocity flame spraying （HVFS） technology on the base of 20 steel according to the different content of strengthen phase α–SiC to find new protection material for the four tubes.The bond strength， thermal shock resistance of three Fe-Al/SiC composite coatings have been tested and analyzed .The results show that the Fe-Al / SiC composite coating has excellent performance， especially the Fe-25Al / 11SiC composite coating. The different additions of the enhancement phase α–SiC lead to differences in the performance of the three coatings.

Key Words：α–SiC; Bond strength;Thermal shock resistance

燃煤電站鍋爐“四管”在生產運行當中，管壁爆管的現象，是影響電站鍋爐正常生產的重要問題。利用高速火焰噴涂工藝，依據增強相α–SiC添加量不同，在20鋼基材上制備Fe-Al/SiC復合涂層，以期尋找防護鍋爐“四管”的新材料。

高速火焰噴涂（High Velocity Flame spraying，簡稱HVFS）是一種先進的火焰噴涂方法，是自等離子噴涂之后熱噴涂技術的又一大進步。該技術的主要優點是成本低、能大幅度提高涂層的結合強度、密度和硬度。此外，由于噴涂粒子的飛行速度快，在空氣中停留時間很短，因而發生氧化的機會減小。所以，采用高速火焰噴涂可以減少涂層中的氧化物夾雜[1]。

鐵鋁金屬間化合物不包含戰略性合金元素（如Ni，Cr）等，具有優良的抗氧化和抗硫化性能，多種介質中的抗腐蝕性和較好的高溫強度，密度低，原料成本低，是一種理想的高溫結構材料[2]。研究發現，在Fe–Al基合金中加入連續（如長纖維）或非連續的增強相（如短纖維、晶須及顆粒等），通過調節合金內部的應力分布、阻止裂紋擴展和充分發揮增強相的作用，能使其具有更好的綜合性能。

1? 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗基材選用火電站鍋爐受熱面管道的常用材料20鋼。復合涂層配方中增強相α–SiC的添加量分別確定為：7%、11%、15%;其它組分材料的添加量見表1所示。

1.2 試樣制備方法及組織觀察

用銑床將20鋼板切割成20mm（長）×15mm（寬）×

5mm（高）的長方體試樣塊，同時制備用于結合強度試驗的對偶試樣。采用CP-3000型高速火焰噴槍進行噴涂試驗。采用Philips XL 30型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察涂層試樣橫截面的組織形貌。

1.3 涂層性能測試及分析

1.3.1 結合強度測試

按照GB/T8642-2002標準，采用對偶件拉伸試驗法，在WE-10A萬能材料試驗機上測試涂層的結合強度。對偶試樣A、B噴砂處理，將試樣B的端面均勻地噴上待測結合強度的涂層，保證加工后涂層厚約為0.5mm。加載速度要求不超過1000±100N/s。

1.3.2 熱震性能測試

熱震試驗所用設備為3X-6-13型高溫箱式電阻爐。將噴涂好的3個試樣放入箱式電阻爐中，加熱到650℃，保溫10～15min，取出，迅速投入室溫水中冷卻（水溫20℃），待水面平靜后取出，觀察試樣表面涂層有無裂紋產生或塊狀剝落，將第一次出現宏觀裂紋或涂層剝落的次數定為涂層失效次數。

2? 復合涂層的性能測試結果及分析

2.1 結合強度測試結果及分析

表2是三種復合涂層結合強度測試結果。對比數據可以看出，Fe-25Al/11SiC復合涂層與基材20鋼的結合狀況最理想。

圖1為三種Fe-Al/SiC涂層與基材結合處SEM照片。分析兩圖可以發現，Fe-25Al/7SiC復合涂層與基材結合狀況最差，存在明顯的裂紋;Fe-25Al/15SiC復合涂層與基材結合情況良好;Fe-25Al/11SiC復合涂層與基材結合最佳，在涂層和基材的結合面幾乎沒有裂紋出現。依據圖片可以推定，Fe-25Al/11SiC復合涂層與基材的結合以機械結合為主，在某些微區存在冶金結合。

另外，觀察圖片涂層部分可以看出，Fe-Al/SiC復合涂層呈典型層狀結構。分析發現，Fe-25Al/11SiC復合涂層層片更加細小，層片之間的結合更加緊密。

2.2 熱震性能測試結果與分析

為適應電站實際應用的條件，試驗所制備的復合涂層必須要具有一定抵抗熱循環沖擊的能力。抗熱震性能是衡量涂層對溫度急變的敏感程度的指標。表3為三種Fe-Al/SiC復合涂層抗熱震性能的試驗結果。由表可以看出，三種Fe-Al/SiC復合涂層分別經過99、121、127次熱循環以后才出現開裂現象，顯示出較好的抗熱震性能。

從缺陷形式來看，涂層開裂的部位都是在試樣的頂角處，試樣表面并沒有出現裂紋。頂角處是應力相對集中的地方，相對容易發生開裂。在熱震試驗過程中，試樣表面沒有出現裂紋，也說明涂層與基材匹配良好。

耐熱震是α-SiC的一個重要的化學特性。分析認為，涂層中α-SiC的存在是其具有優異的抗熱震性能的重要原因。同時，三種復合涂層抗熱震性能的差異，也是由α- SiC添加量的不同引起的。比較而言，Fe-25Al/15SiC復合涂層的抗熱震性能更加突出;Fe-25Al/11SiC復合涂層的抗熱震性能次之，但相差不多;Fe-25Al/7SiC復合涂層最差。由此也可以看出，增強相α-SiC在涂層抗熱震性能方面起到重要作用。隨著α-SiC添加量的增多，涂層的抗熱震性能逐漸增強。

同時，分析還認為由于增強相α-SiC的熱膨脹系數與Fe-Al基體相差別較大，在經歷多次強烈的熱循環和熱沖擊后，增強相易于從基體上剝落。復合涂層與基材20鋼的結合處容易產生裂紋，出現涂層剝落現象，最終使得涂層失效。所以，三種Fe-Al/SiC復合涂層的抗熱震性能也受到限制，最高的也只是127次。

3? 結語

通過試驗得出如下結論：（1）Fe-25Al/11SiC復合涂層與基材結合最佳，在涂層和基材的結合面幾乎沒有裂紋出現，結合形式以機械結合為主，在某些微區存在冶金結合。（2）α-SiC的存在是涂層具有優異的抗熱震性能的重要原因。（3）α-SiC添加量的不同，是導致涂層之間的性能差異的主要原因。

參考文獻

[1] L Fedrizzi，L Valentine，S Rossi. Tribocorrosion behaviour of HVOF cermet coatings[J].Corrosion science，2007（49）：2781-2799.

[2] 徐維普.增強相對高速電弧噴涂Fe-Al涂層性能的影響[J].上海交通大學學報，2005（1）：36-40.