滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的研究進(jìn)展

劉春峰 唐先慧 楊巍華 申延智 任敏婷 李斌 劉佩 田能源 許州 方赟

摘要：通過滲鋁工藝在鋼材表面制備Fe-Al涂層，能夠提升鋼材的性能并擴(kuò)展其使用范圍。本文介紹了Fe-Al涂層的形成機(jī)理及性能，并對粉末包埋滲鋁法、熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等不同滲鋁工藝進(jìn)行了綜述。最后，對滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的研究提出展望。

關(guān)鍵詞：Fe-Al涂層;滲鋁工藝;滲鋁鋼;研究現(xiàn)狀

中圖分類號：TG174 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的穩(wěn)步發(fā)展，機(jī)械結(jié)構(gòu)對鋼材綜合性能的要求也越來越嚴(yán)苛，金屬表面滲鍍技術(shù)應(yīng)運(yùn)得以興起。鋼材表面滲鋁工藝是金屬表面滲鍍技術(shù)的一種，是通過采用不同的技術(shù)在鋼材基體表面滲入Al元素，與基體發(fā)生合金化反應(yīng)后獲得Fe-Al涂層的化學(xué)熱處理方法[1]。表面滲鋁后獲得的滲鋁鋼不僅具備鋼材基體的力學(xué)性能，其表面還表現(xiàn)出優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性和抗高溫氧化性，當(dāng)前已在石化、冶金、電力、農(nóng)機(jī)及航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)展前景廣闊[2]。近年來，世界各地針對滲鋁工藝的研究取得了喜人的成果，創(chuàng)造出極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，我國也在20世紀(jì)50年代末開展了大量細(xì)致性的相關(guān)研究，并將研究成果大規(guī)模地應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)歷數(shù)十載仍經(jīng)久不衰[3-4]。

結(jié)合科技新理念，研發(fā)滲鋁工藝的新方法和新技術(shù)，提高Fe-Al滲層在特殊工況下的綜合性能。為了更加全面的掌握滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的相關(guān)研究成果，本文介紹了Fe-Al涂層的形成機(jī)理及性能，綜述了粉末包埋滲鋁法、熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等不同滲鋁工藝的研究現(xiàn)狀，并對該領(lǐng)域的研究提出展望，旨在探索相關(guān)規(guī)律，為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供一定的技術(shù)借鑒。

1 Fe-Al涂層形成機(jī)理分析

Fe-Al涂層歸屬于金屬間化合物層或金屬固溶體層范疇，滲鋁工藝制備的Fe-Al涂層是通過鋼材基體的Fe原子與滲入的Al原子之間相互擴(kuò)散最終形成合金層來實(shí)現(xiàn)的[5]。任何滲鋁工藝最終獲得令人滿意的Fe-Al涂層都需要經(jīng)歷三個(gè)必不可少的過程[6]：（1） 滲劑組分分解：當(dāng)體系溫度升高到一定程度時(shí)，滲劑的各組分之間就會(huì)發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的反應(yīng)氣體能夠在極短的時(shí)間內(nèi)覆于鋼材表面，并引發(fā)后續(xù)的化學(xué)反應(yīng);（2） 活性原子吸收：豐富的反應(yīng)產(chǎn)物活性Al原子在鋼材基體表面大量積聚，除了少數(shù)的Al原子沿著界面向鋼材基體內(nèi)部擴(kuò)散外，更多的活性Al原子繼續(xù)參與后續(xù)的化合反應(yīng)并與鋼材基體中的Fe原子相結(jié)合，而后在鋼材基體表面生成Fe-Al化合物，該金屬間化合物層或表面固溶體層即為Fe-Al涂層的萌芽狀態(tài)。（3）滲層擴(kuò)散增長：鋼材基體表面及內(nèi)部的活性Al原子在經(jīng)過反復(fù)的附著和吸收后，滲入鋼材表層的活性Al原子受到高溫?zé)崃W(xué)作用會(huì)持續(xù)地?cái)U(kuò)散到鋼材內(nèi)部更深處，與此同時(shí)，基體中的Fe原子也將向滲層方向不斷地?cái)U(kuò)散，這些原子運(yùn)動(dòng)的結(jié)果就是滲層厚度逐漸增加，最終獲得復(fù)合型滲層組織，即Fe-Al涂層。

值得注意的是，原子之間進(jìn)行擴(kuò)散始終遵循菲克定律，所獲得的Fe-Al涂層的厚度與擴(kuò)散過程密切相關(guān)。擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間以及活性Al原子的濃度都會(huì)在一定程度上對Fe-Al涂層的形成效果產(chǎn)生影響[7]。此外，鋼材基體表面的活性情況以及Al原子的激活效果也是擴(kuò)散過程中必須要考慮的因素[8]。

2 滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的性能

2.1 抗氧化性

滲鋁鋼的抗氧化能力是其表面抗氧化的Fe-Al涂層發(fā)揮保護(hù)作用的結(jié)果，F(xiàn)e-Al涂層的厚度及涂層中Al元素的含量都會(huì)對其抗氧化性產(chǎn)生影響。若Fe-Al涂層疏松多孔不致密，F(xiàn)e原子和O原子就會(huì)在涂層中自由的滲透，則鋼材仍會(huì)被這些滲入的原子氧化而影響其后續(xù)的使用。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)制備具有高密度的Fe-Al涂層是提高涂層抗氧化性的關(guān)鍵[9]。由于滲鋁鋼的使用溫度較高，在高溫條件下，Al原子與O原子有很強(qiáng)的結(jié)合能力，能夠形成致密的抗氧化層，由此獲得的Fe-Al涂層堆積密度大，無空位等缺陷，阻斷氧氣與鋼材基體的直接接觸，進(jìn)而有效改善鋼材的抗高溫氧化性[10]。

2.2 耐腐蝕性

滲鋁鋼表面生成的Fe-Al涂層不僅能防止基體被氧化，還能夠阻隔腐蝕介質(zhì)原子與鋼材基體中的Fe原子相接觸，使其無法發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，因此不會(huì)有腐蝕性產(chǎn)物生成。此外，在含有礦物燃料的燃燒產(chǎn)物環(huán)境中，不僅是燃燒后的反應(yīng)氣體會(huì)對鋼材產(chǎn)生侵蝕作用，更多的是表面硫酸鹽或氯化物等沉積鹽的強(qiáng)腐蝕性，這種因沉積鹽引起的高溫環(huán)境下的腐蝕現(xiàn)象被稱為熱腐蝕[11]。滲鋁工藝制備的Fe-Al涂層結(jié)合能較高、密度大并且Fe原子很難被轉(zhuǎn)換，因此在腐蝕性介質(zhì)中，就只有涂層表面積聚的大量Al原子被腐蝕，F(xiàn)e-Al涂層能有效阻止腐蝕介質(zhì)的侵入。較無Fe-Al涂層的一般鋼材而言，滲鋁鋼在CO2、SO2、SO3、H2S、海水及酸堿溶液等介質(zhì)中的耐腐蝕性更加顯著[12]。

2.3 耐磨性

對鋼材基體表面進(jìn)行滲鋁工藝處理后，由于Al原子的滲入會(huì)在鋼材表面生成Fe-A1金屬間化合物，該金屬間化合物的成分以硬度相當(dāng)高的Fe2Al5相為主，其硬度可以達(dá)到60 HRC左右，該硬度甚至可以與馬氏體鋼材的硬度相媲美，所以滲鋁工藝制備的Fe-A1涂層賦予了滲鋁鋼卓越的耐磨性[13]。

3 Fe-Al涂層滲鋁工藝研究

3.1粉末包埋滲鋁法

粉末包埋滲鋁法制備工藝簡單、成本低、滲層效果好且相間結(jié)合力強(qiáng)，是應(yīng)用最為廣泛的一種滲鋁工藝。粉末包埋滲鋁法是將鋼材包埋于滲鋁劑中，經(jīng)過Al原子向鋼材內(nèi)部的擴(kuò)散進(jìn)而獲得Fe-Al涂層的方法。參與粉末包埋的滲鋁劑組分包括鋁源、填充劑和活化劑等[14]。鋁源為粉末包埋滲鋁過程提供充足的Al元素，經(jīng)常被用作鋁源的物質(zhì)是鋁粉和鐵鋁合金;填充劑在體系中起到高溫加熱防止物相間相互粘結(jié)的作用，氧化鋁顆粒和高嶺土粉是最常被使用的填充劑;活化劑在滲鋁反應(yīng)過程中能夠促進(jìn)Al原子的滲入，發(fā)揮其催滲作用，氯化銨在粉末包埋工藝中常被作為活化劑使用。

為了使活性Al原子在滲鋁過程中表現(xiàn)出更加活躍的狀態(tài)，可以在滲鋁劑中加入具有特殊組分的助滲劑。陳輝等[15]在滲鋁劑中加入稀土元素制備Fe-Al涂層，Al原子與稀土元素積聚在N80套管鋼表面的晶體缺陷處，并在稀土元素周圍迅速生成柯氏氣團(tuán)，Al原子處于柯氏氣團(tuán)的上端并發(fā)生躍遷轉(zhuǎn)移，加入稀土元素后增加了滲層中活性Al原子的數(shù)量，提高了滲鋁效率。Bates等[16]將Cr-Al合金添加到滲鋁劑中，并調(diào)控其中Al原子的含量，有效激發(fā)了滲入Al原子的活躍程度，制備得到具有Al原子濃度梯度的Fe-Al涂層。此外，機(jī)械能輔助法可以獲得納米化的表面組織，從而加速鋼材基體表面Al原子的擴(kuò)散速率。沈正軍等[17]利用機(jī)械能輔助法以Al粉與納米Y2O3粒子的混料作為滲鋁劑，在600℃下獲得Fe-Al-Y2O3納米復(fù)合涂層，其中彌散分布的納米Y2O3粒子還起到了釘扎作用，降低了剝落量和氧化增重量，提高了鋼材的抗高溫氧化性。

3.2熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法

熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法因其效率高、工業(yè)投資少、滲層質(zhì)量優(yōu)和技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用。熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法是將鋼材浸入到處于熔融態(tài)的鋁液中，恒溫保持一段時(shí)間后通過熱擴(kuò)散作用改變鋼材表面的化學(xué)組成，形成Fe-Al合金層的方法。熱浸鍍過程中，固態(tài)Fe與液態(tài)Al之間經(jīng)過相互吸附、漫流、浸潤和溶解，發(fā)生一系列的化學(xué)作用及物理擴(kuò)散。熱浸鍍擴(kuò)散滲鋁法制備獲得的Fe-Al涂層具有優(yōu)異的抗高溫氧化性和耐腐蝕性[18]。

不僅鋼材基體與鋁液的成分及配比，都會(huì)對Fe-Al涂層的形成速度、微觀結(jié)構(gòu)和性能起到?jīng)Q定性作用，熱浸鍍溫度和熱浸鍍時(shí)間等工藝參數(shù)也會(huì)對形成Fe-Al的厚度及組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Zhao等[19]采用不同的熱浸鍍溫度在H13鋼表面進(jìn)行滲鋁，基體上存在較多晶格間隙有利于高溫下Al原子的快速滲入。鋼材基體上Fe-Al涂層的厚度隨熱浸鍍時(shí)間和溫度的增加而增加，而Al層的厚度則隨著熱浸漬溫度的升高而減小。Jeshvaghani[20]等在800℃對9Cr-1Mo鋼熱浸滲鋁時(shí)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Al涂層與熱浸鍍時(shí)間服從菲克定律，隨著熱浸鍍時(shí)間的增加，F(xiàn)e-Al涂層的厚度也會(huì)相應(yīng)地增加。除了工藝條件的影響外，在體系中加入一定含量的添加劑也會(huì)對Fe-Al涂層的組織和性能的改善發(fā)揮作用。孫偉[21]等在進(jìn)行45鋼熱浸鍍鋁時(shí)在滲鋁劑中加入了稀土元素，制備的Fe-Al涂層主要表現(xiàn)為內(nèi)部為合金層和外部為純Al層的雙層結(jié)構(gòu)，且Fe-Al涂層與鋼材基體的結(jié)合界面處呈現(xiàn)出鋸齒狀，加入稀土元素后的鋼材耐蝕性得到顯著的改善。

3.3噴涂滲鋁法

噴涂滲鋁法設(shè)備簡單、工藝易掌握、生產(chǎn)率高且對工件的形狀沒有過高要求。噴涂滲鋁法是采用噴涂的方式使Al原子附著于工件表面，然后通過熱擴(kuò)散過程在工件表面形成牢固的Fe-Al合金層。噴涂滲鋁法的工藝過程包括工件表面處理、噴涂鋁層、鋁層的封閉處理和擴(kuò)散退火等，先后在鋼材基體表面形成噴涂結(jié)合層和噴涂工作層。根據(jù)噴涂滲鋁溫度的不同，可將噴涂滲鋁法分為熱噴涂和冷噴涂兩種[22]。與前述粉末包埋法和熱浸鍍法相比，該方法制備的Fe-Al涂層硬度不足，與基體的結(jié)合強(qiáng)度較差。

噴涂技術(shù)對設(shè)備和技術(shù)的要求較高，研發(fā)新型的噴涂工藝成為技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。Diamantogiannis等[23]通過火焰噴涂工藝在雙相鋼表面制備了Fe-Al涂層。由于涂層的保護(hù)作用，腐蝕環(huán)境下鋼材很好的保持了其力學(xué)性能以及結(jié)構(gòu)的完整。Esfahani等[24]采用電弧噴涂技術(shù)在鋼材表面制備Fe-Al涂層，隨著退火溫度的升高，涂層的表面變得更加致密，F(xiàn)e-Al涂層的厚度也顯著增加，鋼材的耐腐蝕性能得到有效改善。相對于火焰噴涂和電弧噴涂等熱噴涂工藝而言，采用冷噴涂工藝制備的Fe-Al涂層密度更高、硬度更大且結(jié)合強(qiáng)度更好。Silva等[25]利用冷噴涂工藝在碳鋼表面成功獲得了300 μm以上厚度且低孔隙率的Fe-Al涂層，該涂層的結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)到30 MPa，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3.4氣相滲鋁法

氣相滲鋁法是一種無接觸式的擴(kuò)散滲鋁方法。與粉末包埋滲鋁法類似，氣相滲鋁的滲鋁劑也包含鋁源、填充劑和活化劑等組分。不同的是，滲鋁過程中，鋼材與滲鋁劑之間并沒有直接的接觸，而是加熱到一定溫度時(shí)，在活化劑作用下滲鋁劑中析出活性Al原子，并通過氬氣載體輸運(yùn)到鋼材表面，再以沉積、擴(kuò)散和吸收等過程滲入鋼材表層，同時(shí)伴隨著溶質(zhì)元素鹵化物的氣相擴(kuò)散與基體中的固相擴(kuò)散，進(jìn)而形成Fe-Al涂層[26]。

黃錦陽等[27]以P92鋼為基體，采用化學(xué)氣相滲鋁法制備Fe-Al涂層，760℃相對低溫下獲得的涂層為單層結(jié)構(gòu)，基體近表處形成約12 μm厚度的Al原子富集層，其主要成分為Fe3Al 和富鋁化合物。Perez等[28]采用流化床氣相滲鋁法在304不銹鋼表面制備了Fe-Al涂層，525℃恒定溫度下，涂層厚度隨加熱時(shí)間的增加而增加，該滲鋁工藝加熱溫度低且用時(shí)短。

4 結(jié)語與展望

采用滲鋁工藝在鋼材表面制備Fe-Al涂層，能夠有效改善鋼材基體的抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性等，滲鋁鋼材已在石化、冶金、電力、農(nóng)機(jī)及航空航天等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。制備Fe-Al涂層最常用的滲鋁工藝有粉末包埋滲鋁法、熱浸擴(kuò)散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等。目前，針對滲鋁工藝已展開了深入的研究，并已開發(fā)出多種技術(shù)先進(jìn)的新型滲鋁工藝。該領(lǐng)域今后還會(huì)在改進(jìn)已有工藝的基礎(chǔ)上向著低成本、低能耗的方向繼續(xù)發(fā)展，以期更加適應(yīng)時(shí)下的工業(yè)應(yīng)用。

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