超音速电弧喷涂FeCrAl涂层组织及性能研究

摘要

锅炉管道高温冲蚀、热腐蚀一直是工业锅炉应用中的一个重大问题，其主要原因是管道在内部高温和压力以及外部高温烟气作用下促进了碳钢和低合金钢表面氧化，导致腐蚀破坏；管外的飞灰和燃烧煤粉颗粒冲击管壁，造成管道高温冲蚀磨损。国内外将热喷涂技术广泛应用于锅炉管道的防护，并取得了成功。目前热喷涂技术方面的研究主要是针对新型涂层材料的研发。
　　 本文采用超音速电弧喷涂粉芯丝材的方法，在20钢基体上制备出抗高温冲蚀的FeCrAl防护涂层。利用光学显微镜、场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、X-射线衍射仪、万能拉伸试验机、显微硬度计，对涂层微观组织结构进行分析，对涂层的厚度、孔隙率、结合强度、硬度进行了测定。利用电子天平、球盘磨损试验机、PS-268电化学工作站等仪器对20钢基材和FeCrAl涂层的抗高温氧化性、耐磨性、电化学稳定性进行表征和分析，探讨了20钢基材和FeCrAl涂层的抗高温氧化机理、耐磨损机理和电化学腐蚀机理。研究结果表明：
　　 (1)超音速电弧喷涂FeCrAl涂层具有明显层状结构，组织致密，表面主要由直径在5～20?m间的球状颗粒及少量孔隙组成。FeCrAl涂层主要由体心立方晶格的Fe-Cr 固溶体和α-Fe相组成，含少量CrO2和Fe-Al金属间化合物(FeAl)。涂层孔隙率为1.66[％]，厚度约340μm，结合强度为27Mpa。
　　 (2)FeCrAl涂层的抗氧化性能优于20钢。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。20钢表面在680℃氧化100h后表面由许多薄片状Fe2O3疏松地堆垛而成，间隙较大，所以在680℃氧化试验过程中20钢基体中Fe很容易通过扩散与空气中O2发生氧化反应。
　　 (3)对基材20钢、FeCrAl涂层和680℃氧化100小时的FeCrAl涂层磨损进行球盘磨损实验，FeCrAl涂层和680℃氧化100小时的FeCrAl涂层在与摩擦副GCr15钢球的对磨过程中，两摩擦表面硬度都较高，磨损的主要形式是磨粒磨损，磨粒来自磨损过程中FeCrAl涂层和GCr15钢球对磨掉的磨屑。由于基材20钢相对GCr15钢球的硬度较低，主要发生的是粘着磨损和磨粒磨损，磨粒来自磨损过程中20钢表面的氧化物。三个试样中氧化后FeCrAl涂层耐磨性能最好，原因是涂层中形成了硬度较高的Cr2O3，起到良好的耐磨作用。FeCrAl涂层由于表面主要由硬度较高的铁铬固溶体和α-Fe相组成，耐磨性能较好。基体20钢耐磨性最差。
　　 (4)FeCrAl涂层在电化学腐蚀过程中表面产生的氧化物呈疏松的结构，不能对基体产生保护作用。20钢基材在电化学腐蚀过程中表面会产生层状的保护膜，随着电化学腐蚀的进行，最外层氧化层会剥落，内层的氧化物不会剥落仍对基体进行保护。此外，喷涂层粗糙的表面以及涂层在急速冷却的过程中产生的内应力降低了涂层的耐电化学腐蚀性能。FeCrAl涂层的耐电化学腐蚀性能低于20钢基材。