高速電弧噴涂FeMnCrAl/Cr3C2涂層的抗高溫沖蝕磨損性能

羅來馬, 劉少光 , 姚繼蓬, 酈 劍 吳玉程

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2. 浙江大學(xué) 材料科學(xué)與工程系，杭州 310027；3. 浙江科得力新材料有限公司，溫州 325029)

發(fā)電用煤多為貧煤或混合煤，煤粉燃燒形成的高溫?zé)煔庵校?0%~20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))飛灰，顆粒尺寸一般為2~500 μm，其主要組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為5%~10%CaO和Mg2O、10%~20% Fe2O3和Al2O3以及20%~60%SiO2等，其中高熔點(diǎn)的硬質(zhì)顆粒(主要為 SiO2)會加劇管道表面飛灰沖蝕磨損。因此，發(fā)電廠使用的各種大型燃煤鍋爐和流化床鍋爐類型的燃煤鍋爐，常因其熱交換管道 (水冷壁、過熱器、再熱器、省煤器管)承受的高溫沖蝕磨損而發(fā)生爆管事故，造成電廠停運(yùn)[1?6]。在提高材料抗高溫沖蝕磨損性能方面，表面噴涂防護(hù)技術(shù)是國內(nèi)外應(yīng)用最多的方法，尤其是電弧噴涂技術(shù)因其具有設(shè)備通用性強(qiáng)、節(jié)能和適宜現(xiàn)場大面積施工等優(yōu)點(diǎn)，是解決鍋爐“四管”爆管問題最有效且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)[7?11]。目前，就熱噴涂材料來說，金屬合金絲材約占到我國熱噴涂材料市場的80%[12]。常見的電弧噴涂絲材主要為Fe-Ni基和Ni基兩大類[6]，但這兩類絲材中Ni元素含量較高，導(dǎo)致使用成本較高。Fe-Mn-Cr系合金因不含貴重金屬，具有成本較低，耐磨耐腐蝕性良好等優(yōu)良，是一種潛在的代鎳材料。前期研究結(jié)果表明，采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)在20鋼基體表面制備的 FeMnCr/Cr3C2和 FeMnCrAl/Cr3C2涂層具有良好的力學(xué)性能和抗高溫腐蝕性能[13?14]。本文作者采用自制的多功能拉絲系統(tǒng)，以優(yōu)質(zhì)低碳鋼作為外皮，以一定配比的Mn粉、Cr3C2粉、Al粉和Cr粉作為粉芯材料，制成FeMnCrAl/Cr3C2粉芯絲材；然后以20鋼作為基底，通過電弧噴涂制備 FeMnCrAl/Cr3C2涂層。對FeMnCrAl/Cr3C2涂層抗高溫沖蝕磨損性能和沖蝕磨損機(jī)理進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 涂層試樣制備

通過專用的包絲機(jī)和拉絲機(jī)成型軋制加工成d2.0 mm的粉芯絲材。粉芯絲材的外皮選用08F鋼帶，粉芯材料有Mn粉、Cr3C2粉、Cr粉、Al粉以及少量FeSi粉和FeB粉。以20鋼作為噴涂試樣基底，試樣尺寸為70 mm×35 mm×4 mm，噴砂處理后用CAS?400型高速電弧噴涂機(jī)進(jìn)行電弧噴涂，涂層厚度為1.0~1.5 mm。電弧噴涂主要工藝參數(shù)如下：氣壓0.8~1.0 MPa，電壓 35~42 V，電流 100~300 A，送絲速度為 1~6 m/min，噴槍移動速度為 10~40 mm/s，噴涂距離200~300 mm。

1.2 涂層抗高溫沖蝕磨損試驗(yàn)

涂層抗高溫沖蝕磨損試驗(yàn)在自行研制的增壓式分段加熱/沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)[15]上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。沖蝕試驗(yàn)前，試樣表面先進(jìn)行平磨加工處理以獲得相同的表面粗糙度Ra(約0.8)，試樣加工后涂層厚度約為0.8 mm。試驗(yàn)溫度參數(shù)模擬大型燃煤鍋爐水冷壁管的實(shí)際運(yùn)行溫度，使沖蝕氣流溫度(900 ℃)和試樣溫度(400 ℃)分別與鍋爐管道的內(nèi)外介質(zhì)溫度接近。沖蝕磨粒選取比實(shí)際飛灰更硬、速度更快的多角剛玉砂(Al2O3)以縮短試驗(yàn)周期。高溫沖蝕試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖1 增壓式分段加熱高溫沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of pressurized separate-heating high temperature erosion test facility

表1 沖蝕磨損試驗(yàn)條件Table 1 Erosion test conditions

用精度 0.1mg 電子分析天平記錄沖蝕失質(zhì)量損失，根據(jù)密度轉(zhuǎn)換成體積損失。再用單位磨粒沖蝕材料表面造成的體積損失表征沖蝕率。按常規(guī)金相制樣法制備試樣，用LEICA DMLM金相顯微鏡對噴涂層顯微組織進(jìn)行金相觀察分析，采用美國 FEI公司SIRION場發(fā)射掃描電子顯微鏡對涂層沖蝕形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層顯微組織

圖2所示分別為FeMnCrAl/Cr3C2涂層表面、涂層與基體結(jié)合處的金相組織。由圖 2(a)可知，涂層呈典型的層狀組織結(jié)構(gòu)，由金屬結(jié)晶相、氧化物相、未熔顆粒和孔隙(分別見圖2(a)中箭頭A、B、C和D所指)組成，氧化物和孔隙存在于金屬結(jié)晶相的層與層之間。由圖 2(a)可見，涂層中金屬結(jié)晶相呈現(xiàn)出不同的浸蝕顏色(如圖中箭頭A和A1所示)，說明涂層合金元素成分分布不均勻，造成不同區(qū)域化學(xué)腐蝕性能不同。由圖2(b)可見，噴涂層與基體形成了很好的機(jī)械結(jié)合，結(jié)合處無粗大的空隙和裂紋，基材表面的涂層大部分是由“疊層”狀的金屬結(jié)晶相與基材直接接觸咬合(如圖2(b)中箭頭E所示)，未見未熔顆粒和氧化物的聚集。

圖2 FeMnCrAl/Cr3C2涂層金相組織Fig.2 Metallographs of FeMnCrAl/Cr3C2 coatings: (a)Surface;(b)Interface

2.2 涂層高溫沖蝕磨損規(guī)律

圖3所示為FeMnCrAl/Cr3C2涂層和20鋼在不同沖擊角下沖蝕率的變化規(guī)律曲線。由圖3可見，對于FeMnCrAl/Cr3C2涂層，不論是在低沖擊角還是高沖擊角條件下，涂層沖蝕率都低于20鋼的，涂層表現(xiàn)出良好的抗沖蝕磨損性能。其原因可能是：FeMnCrAl/Cr3C2涂層的顯微硬度為20鋼的2~3倍，較高的硬度值抵抗了沖蝕粒子的切入，減緩?fù)繉颖磺邢?、犁溝和擠壓，降低了涂層表面材料的流失；同時(shí)，涂層中較高硬度的氧化物相、未熔顆粒以及部分金屬結(jié)晶相中彌散分布的點(diǎn)狀物阻礙了沖蝕顆粒的滑動。因此，涂層的沖蝕率明顯低于20鋼的。20鋼的最大沖蝕率出現(xiàn)在沖擊角30°附近，隨著沖擊角的增大，沖蝕率不斷減小。20鋼材料沖蝕特征為典型的塑性材料沖蝕磨損特征。FeMnCrAl/Cr3C2涂層的沖蝕率最大值出現(xiàn)在沖擊角45°~60°，其沖蝕特征介于塑性材料和脆性材料特征之間，表現(xiàn)為復(fù)合沖蝕磨損特征。

圖3 涂層和20鋼不同沖擊角下沖蝕率的變化規(guī)律曲線Fig.3 Erosion rates curves of coatings and AISI 1020 steel at different impact angles

圖4所示為FeMnCrAl/Cr3C2涂層在不同沖擊角下的沖蝕磨損表面 SEM 像。圖 4(a)所示為FeMnCrAl/Cr3C2涂層在沖擊角為 30°下的沖蝕磨損表面SEM像。由圖4(a)可見，在30°沖擊角下，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層表現(xiàn)出以犁耕和切削為主，伴隨少量擠壓的破壞形式， 沖蝕表面未見明顯的脆性開裂和剝落現(xiàn)象，宏觀上表現(xiàn)為塑性材料流失特征。圖4 (b)所示為圖4(a)中箭頭1區(qū)域的放大形貌，即為FeMnCr/Cr3C2涂層沖蝕后新鮮表面。由圖4(b)可見，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層犁耕后涂層表面由塑性變形區(qū)(如圖 4(b)箭頭 A1所示)、“層疊”顆粒脆性斷裂區(qū)(如圖4(b)箭頭A2所示)和“細(xì)粒狀”氧化物脆性斷裂區(qū)(如圖 4(b)箭頭 A3所示)三部分組成，新鮮表面在二次沖擊作用下，氧化物和“層疊”顆粒發(fā)生斷裂脫落，而塑性變形區(qū)發(fā)生累加塑性變形。因此，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層在低沖擊角下，涂層沖蝕磨損破壞形式為以犁耕和切削為主，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的塑性變形和斷裂脫落。

圖4(c)所示為 FeMnCrAl/Cr3C2涂層在沖擊角為60°下的沖蝕磨損表面SEM像。由圖4(c)可以發(fā)現(xiàn)，在 60°沖擊角下，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層的破壞形式為擠壓和切削，沖蝕表面仍然未見明顯的脆性裂紋和剝落現(xiàn)象。圖4(d)所示為圖4(c)中箭頭2區(qū)域的放大形貌，即為FeMnCrAl/Cr3C2涂層沖蝕后新鮮表面。由圖4(d)可見，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層沖蝕后表面為塑性變形區(qū)(如圖4(d)中B1區(qū)域所示)和過度塑性變形后疲勞脫落區(qū)(如圖4(d)中B2區(qū)域所示)，這種新鮮表面在二次沖擊作用下，塑性變形區(qū)產(chǎn)生了過度塑性變形，然后發(fā)生疲勞脫落(如圖4(d)中B2區(qū)域所示)。因此，在60°沖擊角下，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層的破壞形式為擠壓和切削，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的反復(fù)塑性變形導(dǎo)致疲勞斷裂脫落的復(fù)合失效形式。

圖4 不同沖擊角下FeMnCrAl/Cr3C2涂層的沖蝕磨損表面SEM像Fig.4 Surface SEM images of FeMnCrAl/Cr3C2 coating after erosion test at different impact angles: (a)Impact angle of 30°; (b)Magnification of arrow 1 in Fig.4(a); (c)Impact angle of 60°; (d)Magnification of arrow 2 in Fig.4(c); (e)Impact angle of 90°; (f)Magnification of arrow 3 in Fig.4(e)

圖4(e)所示為 FeMnCrAl/Cr3C2涂層在沖擊角為90°下的低倍沖蝕磨損表面 SEM 像，圖 4(f)所示為圖4(e)中箭頭3區(qū)域的放大。由圖4(e)和4(f)可見，在90°沖擊角下，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層的破壞形式為擠壓疲勞斷裂，可見疲勞裂紋(見圖4(f)中箭頭所指)。由高倍數(shù)下涂層擠壓后的表面形貌可見，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層擠壓后的表面出現(xiàn)了過度塑性變形后的疲勞開裂和脫落(見圖4(f)中箭頭所指)，還可見擠壓后新鮮表面的塑性變形 (見圖 4(f)中 C1和 C2區(qū)域所指)。這種塑性變形伴隨加工強(qiáng)化，在二次沖擊下發(fā)揮了抗粒子沖擊作用。因此，在 90°沖擊角下，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層的破壞形式為擠壓疲勞，但過度塑性變形導(dǎo)致疲勞開裂和脫落更明顯，并伴隨著二次沖擊下的結(jié)晶相疲勞脫落和脆性相斷裂。

綜上所述，F(xiàn)eMnCrAl/Cr3C2涂層的沖蝕磨損機(jī)理如下：在低沖擊角下，破壞模式以犁耕和切削作用為主，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的過度塑性變形和斷裂脫落；在高沖擊角下，破壞模式以擠壓疲勞、脆性脫落以及過度塑性變形后的疲勞開裂和斷裂脫落為主，伴隨著二次沖擊下的脆性開裂、脫落以及過度塑性變形和疲勞脫落；在中間沖擊角范圍，破壞模式則表現(xiàn)為擠壓和切削失效形式，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的脫落和反復(fù)塑性變形導(dǎo)致疲勞斷裂脫落的復(fù)合失效形式。

3 結(jié)論

1) 在全沖擊角范圍， FeMnCrAl/Cr3C2涂層沖蝕率都低于20鋼基底材料，表現(xiàn)出良好的抗沖蝕磨損性能。

2) FeMnCrAl/Cr3C2涂層的沖蝕磨損機(jī)理如下：在低沖擊角下，破壞模式以犁耕和切削作用為主，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的過度塑性變形和斷裂脫落；在高沖擊角下，破壞模式以擠壓疲勞、脆性脫落以及過度塑性變形后的疲勞開裂和斷裂脫落為主，伴隨著二次沖擊下的脆性開裂、脫落以及過度塑性變形和疲勞脫落；在中間沖擊角范圍，破壞模式則表現(xiàn)為擠壓和切削失效形式，伴隨著新鮮表面在二次沖擊下的脫落和反復(fù)塑性變形導(dǎo)致的疲勞斷裂脫落的復(fù)合失效形式。

[1]LIU S G, WU J M, ZHANG S C, RONG S J, LI Z Z. High temperature erosion properties of arc-sprayed coatings using various cored wires containing Ti-Al intermetallics[J]. Wear,2007, 262: 555?561.

[2]MATSUBARA Y, SOCHI Y, TANABE M, TAKEYA A.Advanced coatings on furnace wall tubes[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2007, 16(2): 195?201.

[3]徐維普, 徐濱士, 張 偉, 吳毅雄, 劉維民. 高速電弧噴涂FeAlCr/Ni包Cr3C2復(fù)合涂層摩擦學(xué)特性[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(10): 1671?1676.XU Wei-pu, XU Bin-shi, ZHANG Wei, WU Yi-xiong, LIU Wei-min. Tribological properties of high velocity arc sprayed FeAlCr/Ni wraped Cr3C2coatings[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004, 14(10): 1671?1676.

[4]TAO K, ZHOU X L, CUI H, ZHANG J S. Microhardness variation in heat-treated conventional and nanostructured NiCrC coatings prepared by HVAF spraying[J]. Surface and Coatings Technology, 2009, 203(10/11): 1406?1414.

[5]栗卓新, 方建筠, 史耀武, 湯春天. 高速電弧噴涂 Fe-TiB2/Al2O3復(fù)合涂層的組織及性能[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2005,15(11): 1800?1805.LI Zhuo-xin, FANG Jian-jun, SHI Yao-wu, TANG Chun-tian.Microstructures and properties of Fe-TiB2/Al2O3composite ceramic coatings prepared by high velocity arc spraying[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2005, 15(11):1800?1805.

[6]羅來馬. 高速電弧噴涂 FeMnCrAl/碳化物系涂層組織與性能及其機(jī)理研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué), 2010: 1?20.LUO Lai-ma. Microstructure, properties and mechanism of high velocity arc-sprayed FeMnCrAl/carbide coatings[D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2010:1?20.

[7]濮春歡, 徐濱士, 王海斗, 樸鐘宇. 不同載荷下3Cr13不銹鋼涂層磨損壽命研究[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 30(1): 75?79.PU Chun-huan, XU Bin-shi, WANG Hai-dou, PIAO Zhong-yu.Wear lifetime of 3Cr13 stainless steel coating under various loads[J]. Tribology, 2010, 30(1): 75?79.

[8]朱子新, 徐濱士, 馬世寧, 劉維民, 張 偉. 高速電弧噴涂Fe-Al涂層的高溫磨損特性[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 24(2):106?110.ZHU Zi-xin, XU Bin-shi, MA Shi-ning, LIU Wei-min, ZHANG Wei. High temperature wear behavior of Fe-Al coating prepared by high velocity arc spraying [J]. Tribology, 2004, 24(2):106?110.

[9]劉奎仁, 朱 琦, 馬鵬程, 陳建設(shè). 電弧噴涂法制備Zn-Al-Mg-RE-Si非平衡組織涂層及其性能研究[J]. 稀有金屬材料與工程, 2010, 39(3): 498?501.LIU Kui-ren, ZHU Qi, MA Peng-cheng, CHEN Jian-she. Study on preparation of Zn-Al-Mg-RE-Si non-equilibrium coatings by electric arc spraying and their properties[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2010, 39(3): 498?501.

[10]FANG J J, LI Z X, SHI Y W. Microstructure and properties of TiB2-containing coatings prepared by arc spraying[J]. Applied Surface Science, 2008, 254: 3849?3858.

[11]徐濱士, 朱子新, 劉 燕, 馬世寧, 張 偉. 高速電弧噴涂Fe-Al金屬間化合物涂層[J]. 中國有色金屬學(xué)報(bào), 2004, 14(S1):154?158.XU Bin-shi, ZHU Zi-xin, LIU Yan, MA Shi-ning, ZHANG Wei.Fe-Al intermetallics coating produced by high velocity arc spraying[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2004,14(S1): 154?158.

[12]MASAHIRO F. The current status of thermal spraying in Asia[J]. Journal of Thermal Spray Technology, 2008, 17(1): 5?13.

[13]羅來馬, 俞 佳, 劉少光, 孫乃榮, 趙 琪, 酈 劍. 高速電弧噴涂 FeMnCr/Cr3C2涂層的組織與性能[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào),2009, 30(3): 174?177.LUO Lai-ma, YU Jia, LIU Shao-guang, SUN Nai-rong, ZHAO Qi, LI Jian. Microstructure and properties research of high velocity arc spraying FeMnCr/Cr3C2coatings[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2009, 30(3): 174?177.

[14]LUO L M, LIU S G, YU J, LUO J, LI J. Effect of Al content on high temperature erosion properties of arc-sprayed FeMnCrAl/Cr3C2coatings[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010, 20(2): 201?206.劉少光, 姚繼蓬, 劉永莉, 陳 炎, 趙建陽. 增壓式分段加熱高溫沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī): 中國專利, 200810163670.X[P].2008-12-18.

[15]LIU Shao-guang, YAO Ji-peng, LIU Yong-li, CHEN Yan, ZHAO Jian-yang. Pressurized separate-heating high temperature erosion test facility: China, 200810163670.X[P]. 2008-12-18.