增強(qiáng)相α–SiC添加量對Fe-Al復(fù)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(jù)增強(qiáng)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(fù)合涂層，以期尋找防護(hù)鍋爐“四管”的新材料。對復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度、抗熱震性能進(jìn)行測試與分析，結(jié)果表明Fe-Al/SiC復(fù)合涂層性能優(yōu)異，尤以Fe-25Al/11SiC復(fù)合涂層最佳。增強(qiáng)相α–SiC添加量的不同，導(dǎo)致三種涂層的性能存在差異。

關(guān)鍵詞：α–SiC? 結(jié)合強(qiáng)度? 抗熱震性

中圖分類號：TG174? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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，F(xiàn)e-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(chǎn)運行當(dāng)中，管壁爆管的現(xiàn)象，是影響電站鍋爐正常生產(chǎn)的重要問題。利用高速火焰噴涂工藝，依據(jù)增強(qiáng)相α–SiC添加量不同，在20鋼基材上制備Fe-Al/SiC復(fù)合涂層，以期尋找防護(hù)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(jìn)的火焰噴涂方法，是自等離子噴涂之后熱噴涂技術(shù)的又一大進(jìn)步。該技術(shù)的主要優(yōu)點是成本低、能大幅度提高涂層的結(jié)合強(qiáng)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(fā)生氧化的機(jī)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(zhàn)略性合金元素（如Ni，Cr）等，具有優(yōu)良的抗氧化和抗硫化性能，多種介質(zhì)中的抗腐蝕性和較好的高溫強(qiáng)度，密度低，原料成本低，是一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料[2]。研究發(fā)現(xiàn)，在Fe–Al基合金中加入連續(xù)（如長纖維）或非連續(xù)的增強(qiáng)相（如短纖維、晶須及顆粒等），通過調(diào)節(jié)合金內(nèi)部的應(yīng)力分布、阻止裂紋擴(kuò)展和充分發(fā)揮增強(qiáng)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(fù)合涂層配方中增強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度試驗的對偶試樣。采用CP-3000型高速火焰噴槍進(jìn)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(jié)合強(qiáng)度測試

按照GB/T8642-2002標(biāo)準(zhǔn)，采用對偶件拉伸試驗法，在WE-10A萬能材料試驗機(jī)上測試涂層的結(jié)合強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)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(shè)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(chǎn)生或塊狀剝落，將第一次出現(xiàn)宏觀裂紋或涂層剝落的次數(shù)定為涂層失效次數(shù)。

2? 復(fù)合涂層的性能測試結(jié)果及分析

2.1 結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果及分析

表2是三種復(fù)合涂層結(jié)合強(qiáng)度測試結(jié)果。對比數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)e-25Al/11SiC復(fù)合涂層與基材20鋼的結(jié)合狀況最理想。

圖1為三種Fe-Al/SiC涂層與基材結(jié)合處SEM照片。分析兩圖可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-25Al/7SiC復(fù)合涂層與基材結(jié)合狀況最差，存在明顯的裂紋;Fe-25Al/15SiC復(fù)合涂層與基材結(jié)合情況良好;Fe-25Al/11SiC復(fù)合涂層與基材結(jié)合最佳，在涂層和基材的結(jié)合面幾乎沒有裂紋出現(xiàn)。依據(jù)圖片可以推定，F(xiàn)e-25Al/11SiC復(fù)合涂層與基材的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主，在某些微區(qū)存在冶金結(jié)合。

另外，觀察圖片涂層部分可以看出，F(xiàn)e-Al/SiC復(fù)合涂層呈典型層狀結(jié)構(gòu)。分析發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-25Al/11SiC復(fù)合涂層層片更加細(xì)小，層片之間的結(jié)合更加緊密。

2.2 熱震性能測試結(jié)果與分析

為適應(yīng)電站實際應(yīng)用的條件，試驗所制備的復(fù)合涂層必須要具有一定抵抗熱循環(huán)沖擊的能力?？篃嵴鹦阅苁呛饬客繉訉囟燃弊兊拿舾谐潭鹊闹笜?biāo)。表3為三種Fe-Al/SiC復(fù)合涂層抗熱震性能的試驗結(jié)果。由表可以看出，三種Fe-Al/SiC復(fù)合涂層分別經(jīng)過99、121、127次熱循環(huán)以后才出現(xiàn)開裂現(xiàn)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(xiàn)裂紋。頂角處是應(yīng)力相對集中的地方，相對容易發(fā)生開裂。在熱震試驗過程中，試樣表面沒有出現(xiàn)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(xué)特性。分析認(rèn)為，涂層中α-SiC的存在是其具有優(yōu)異的抗熱震性能的重要原因。同時，三種復(fù)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，F(xiàn)e-25Al/15SiC復(fù)合涂層的抗熱震性能更加突出;Fe-25Al/11SiC復(fù)合涂層的抗熱震性能次之，但相差不多;Fe-25Al/7SiC復(fù)合涂層最差。由此也可以看出，增強(qiáng)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(qiáng)。

同時，分析還認(rèn)為由于增強(qiáng)相α-SiC的熱膨脹系數(shù)與Fe-Al基體相差別較大，在經(jīng)歷多次強(qiáng)烈的熱循環(huán)和熱沖擊后，增強(qiáng)相易于從基體上剝落。復(fù)合涂層與基材20鋼的結(jié)合處容易產(chǎn)生裂紋，出現(xiàn)涂層剝落現(xiàn)象，最終使得涂層失效。所以，三種Fe-Al/SiC復(fù)合涂層的抗熱震性能也受到限制，最高的也只是127次。

3? 結(jié)語

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

參考文獻(xiàn)

[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(qiáng)相對高速電弧噴涂Fe-Al涂層性能的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2005（1）：36-40.