2種FeCr基高速電弧涂層的組織和耐磨性能對比研究

錢維興, 李 杰, 盛耀飚, 劉成威,覃恩偉, 陳國星, 陸海峰, 魏少翀, 尹 嵩, 吳樹輝

(1. 吳江羅森化工有限公司, 江蘇蘇州 215237；2. 蘇州熱工研究院有限公司, 江蘇蘇州 215004)

0 前 言

熱電廠循環(huán)流化床鍋爐在實際燃燒運行過程中，物料顆粒在復雜動態(tài)過程中沖刷水冷壁等鍋爐管壁，使得管壁磨損減薄，容易發(fā)生爆管等事故，影響正常的安全生產(chǎn)運行，造成經(jīng)濟損失。國內(nèi)外的大量研究認為熱噴涂技術(shù)可以有效解決鍋爐管的磨損問題[1,2]。常見的熱噴涂技術(shù)包括高速電弧噴涂、等離子噴涂、火焰噴涂等[3-5]，其中高速電弧噴涂技術(shù)由于具有成本低、生產(chǎn)效率高以及便于現(xiàn)場施工等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[6]。FeCr基合金由于具有優(yōu)異的力學性能，并且與Co基和Ni基合金相比，其成本較低，在工業(yè)領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景，受到廣泛關(guān)注[7]。

噴涂前需要對基體表面進行噴砂處理，目的是對基體表面進行凈化和粗化，基體表面的預(yù)處理狀況決定了涂層與基體的結(jié)合性能，影響著涂層的服役壽命。楊暉等[8]研究了表面粗糙度對涂層結(jié)合性能的影響，研究結(jié)果顯示粗糙度在25～100 μm之間時，有助于涂層與基體的結(jié)合(粗糙度為取樣長度內(nèi)5個最大的輪廓峰高的平均值與5個最大的輪廓谷深的平均值之和)。Guo等[9]研究了Fe基涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示涂層呈典型的層狀結(jié)構(gòu)，在片層間有氧化物和孔隙等缺陷出現(xiàn)，孔隙率在1.9%～2.2%之間，這都會降低涂層的力學性能；Tian等[10]也展示了相似的研究結(jié)果。因此，通過改進噴涂設(shè)備以及噴涂工藝來降低涂層缺陷是未來研究的重點[11]。Yuksel等[12]研究了硬質(zhì)相對涂層耐磨性能的影響，結(jié)果顯示硬質(zhì)相含量的增加，可以降低涂層的磨損量，有效提高涂層的耐磨性能。魏增菊等[13]也展示了相似的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鐵基中碳化物的存在可有效提高涂層的硬度，增強耐磨性能。高振等[14]研究顯示稀土元素的添加有助于鐵基涂層中非晶相的形成，其屬于硬質(zhì)相，有助于提高涂層的微觀硬度，在摩擦磨損試驗時，涂層表面出現(xiàn)斷裂、剝離現(xiàn)象。田寶紅等[15]研究顯示稀土元素的添加會使噴涂層組織變得均勻，孔隙率降低，顯微組織細化，微觀硬度提高，耐磨性提高40%～80%。然而，大部分對鐵基耐磨涂層的研究主要集中在實驗室研究階段，還未完成在實際工況下的成果應(yīng)用。目前，市面上現(xiàn)有的防磨涂層以FeCr基為主，并通過添加一些微量元素來增加涂層的耐磨性能，但不同成分的鐵基防磨涂層沒有進行過系統(tǒng)性的性能分析比較，無法定量判別哪種涂層具有較好的防磨效果，所以，應(yīng)對現(xiàn)有已應(yīng)用到實際工況的涂層材料進行性能對比分析，定量判斷其性能優(yōu)劣，有助于幫助選擇使用更有助于現(xiàn)場工況的涂層材料。

因此，本工作通過噴砂處理清潔和粗化基體表面，通過高速電弧噴涂技術(shù)制備FeCrRE基涂層和FeCr基2種涂層，研究涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)及相組成、涂層的結(jié)合強度、基體到涂層表面微觀硬度的變化以及涂層的耐磨性能，并對2種涂層的性能進行對比分析。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗選用的基體材料是鍋爐管用鋼20G板材，尺寸為100 mm×100 mm×10 mm。通過采用目前實際工況應(yīng)用的2種FeCr基粉芯絲材(φ2.0 mm)，外皮均為不銹鋼材料，其中一種碳含量更高，并且添加稀土氧化物CeO2，2種粉芯絲材的名義成分如表1所示，分別命名為FeCr和FeCrRE。粉芯絲材的主要制作工藝是在不銹鋼外皮中填充粉末材料，經(jīng)過連續(xù)的軋制、拉伸等變形工序，實現(xiàn)絲材的包覆、合圓及減徑，生產(chǎn)出一定規(guī)格的粉芯絲材。

表1 粉芯絲材的成分含量(質(zhì)量分數(shù)) %

1.2 涂層制備方法

在噴涂前對基材表面進行噴砂處理。噴砂預(yù)處理采用的砂粒為24目的石英砂，噴砂工藝參數(shù)為空氣壓力0.6～0.8 MPa、噴砂距離150～180 mm、噴砂角度 70°～80°。采用ZPG - 400型高速電弧噴涂機進行噴涂，根據(jù)拉伐爾噴管對噴槍進行了重新設(shè)計，使熔融粒子可以快速噴射到基材表面形成致密涂層[16]。經(jīng)過對噴涂工藝的不斷摸索以及優(yōu)化，采用的噴涂工藝參數(shù)為：噴涂電壓40～45 V，噴涂電流250～280 A，空氣壓力0.6～0.8 MPa，噴涂距離150～180 mm，噴涂角度80°～100°。

1.3 檢測分析

采用Mitutoyo SJ 310型表面粗糙度儀測量粗化后基材表面的粗糙度。采用ZEISS Axi Observer A3型金相顯微鏡對涂層的截面組織形貌進行觀察，并利用Image J定量分析軟件測量涂層的孔隙率。采用Tscan VEGA TS型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察高倍下涂層的顯微組織。采用PANalytical X’Pert Pro型X射線衍射儀(XRD)對涂層表面進行物相分析。采用Qness Q10A+型維氏硬度計測定涂層的顯微硬度，載荷2.98 N，保載時間10 s。依據(jù)GB/T 8642-2002“熱噴涂 抗拉結(jié)合強度的測試”中規(guī)定的對偶試樣拉伸法，采用高速電弧噴涂技術(shù)對FeCrRE涂層和FeCr涂層各制備5組噴涂拉伸試樣，采用E7膠進行粘合，采用100kN - AG - IC型萬能材料試驗機測試涂層的結(jié)合強度。

采用HT - 500型摩擦磨損試驗機對涂層進行磨損試驗，對磨材料為φ5 mm的Si3N4球。為保證試驗條件的一致性，在試驗前用砂紙預(yù)先磨平試樣表面，再進行拋光處理，試驗條件為對磨半徑2 mm，載荷6.17 N，轉(zhuǎn)速560 r/min，對磨時間5 min。采用Bruker GT型白光干涉儀對磨痕進行三維形貌分析，并采用掃描電鏡觀察磨痕形貌，探究磨損機理。

2 結(jié)果與討論

2.1 基體表面粗化分析

采用石英砂對基體表面進行凈化和粗化處理，在基體表面形成粗糙面，涂層熔滴在壓縮空氣的作用下噴射到基體表面，冷凝收縮時在粗糙面處與基體相互咬合，形成機械結(jié)合，這直接決定了涂層與基體的結(jié)合性能。圖1為噴砂后基體表面的微觀形貌以及輪廓曲線。

從圖1可以看出，相對初始研磨表面，噴砂后基體表面整體變得粗糙，隨機分布著許多不規(guī)則形狀的凸峰和凹坑，沒有固定的取向，這為涂層與基體的機械結(jié)合提供了更多的錨固點，有利于提高涂層與基體的結(jié)合性能。Costil等[17]認為表面粗糙度和涂層的結(jié)合強度有關(guān)，基體表面粗糙形成的尖銳凸峰可有效提高涂層的結(jié)合性能。通過表面粗糙度儀測量了噴砂后基體表面的粗糙度Rz，測量值為50～90 μm，這與楊暉等[8]的結(jié)果是一致的。

2.2 涂層的顯微組織

圖2為2種涂層的顯微組織形貌。從圖中可以看出，2種涂層都具有典型的層片狀結(jié)構(gòu)，層與層之間相互交疊堆積，在層間分布有少量的孔隙和氧化物，在界面結(jié)合處，涂層與基體的結(jié)合良好。在噴涂過程中，高速飛行的高溫熔滴不可避免地會發(fā)生氧化，撞擊到基體表面時，熔滴鋪展凝固在基體表面，經(jīng)過后續(xù)粒子的不斷堆疊沉積，形成涂層與其氧化物相間分布的層狀結(jié)構(gòu)。同時，熔滴中的Fe，Cr元素在飛行過程中會形成致密的氧化膜，可以對內(nèi)部金屬起到保護作用，阻止熔滴進一步氧化，降低了涂層的整體氧化物含量[18]。由于熔滴在飛行過程中具有不同的溫度和速度，使得粒子的鋪展、潤濕和堆疊過程也不相同，相互之間出現(xiàn)不完全融合現(xiàn)象，同時熔滴的快速冷卻使得氣體來不及逸出，都會導致在涂層中形成孔隙。

涂層內(nèi)部孔隙是一種重要的缺陷，對涂層的使用性能和服役壽命具有重要的影響，是評價涂層質(zhì)量的重要標準[19]?？紫蹲鳛楣逃械慕Y(jié)構(gòu)缺陷，影響涂層的結(jié)合強度等力學性能，比如會降低涂層的彈性模量，從而影響涂層的殘余應(yīng)力，形狀越扁長的孔隙產(chǎn)生的應(yīng)力集中越大，較大直徑的圓形孔隙周圍也容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力場，使材料的強度降低[20，21]，同時，涂層中的孔隙大多數(shù)聚集在層狀粒子的交界處，裂紋也容易在孔隙處形成，這都會降低涂層的結(jié)合強度等性能。通過觀察圖2中涂層的顯微組織形貌，可以發(fā)現(xiàn)FeCrRE涂層的致密度要高于FeCr涂層，測量得到的FeCrRE涂層的孔隙率為0.92%±0.13%，F(xiàn)eCr涂層的孔隙率為2.22%±0.47%，并且在FeCr涂層中還含有少量的微裂紋，這是因為涂層中不同的組織和物相在快速冷卻成形的過程中，由于溫度和熱物性參數(shù)的差異而產(chǎn)生熱效應(yīng)力，從而導致在涂層中出現(xiàn)熱裂紋或冷裂紋[22]?？傮w來說，F(xiàn)eCrRE涂層的組織結(jié)構(gòu)優(yōu)于FeCr涂層，獲得的涂層更為致密，缺陷較少，這是因為FeCrRE涂層中含有稀土元素，稀土元素可以改善涂層的組織，減少孔隙率，提高涂層的致密度，進而提高涂層的力學性能[23]。

圖3為2種涂層的XRD譜。從圖中可以看出，涂層主要是由FeCr固溶體、Fe和Cr的氧化物和硼化物組成，氧化物是由噴涂過程中熔滴表層氧化引入的。噴涂層中的硼化物在固溶體中彌散分布，可有效提高涂層的硬度，這與Pokhmurska等[24]的研究結(jié)果硼元素可以有效提高涂層的硬度是一致的。

2.3 涂層的力學性能

2.3.1 涂層的結(jié)合強度

結(jié)合強度是反映涂層力學性能的一項重要指標，包括涂層與基體之間的結(jié)合強度以及涂層內(nèi)部的內(nèi)聚強度[25，26]。若結(jié)合強度較小，輕則會引起涂層的壽命降低，造成早期失效，重則造成涂層起皮、剝落失效。

先對E7膠的結(jié)合強度進行了測量，結(jié)果顯示E7膠的平均結(jié)合強度為(75.59±2.20) MPa，滿足試驗研究。FeCrRE涂層和FeCr涂層的結(jié)合強度分別為(40.29±1.92) MPa和(32.15±1.73) MPa，說明了FeCrRE涂層的結(jié)合性能要優(yōu)于FeCr涂層，因為涂層中的孔隙率等缺陷都會降低涂層的結(jié)合強度[27，28]，而FeCrRE涂層中的稀土元素可增加涂層的致密性，降低孔隙率等缺陷，因此FeCrRE涂層的結(jié)合強度要大于FeCr涂層。

2.3.2 涂層的微觀硬度

圖4為基體到涂層顯微硬度的變化。從圖中可以看出，F(xiàn)eCrRE涂層和FeCr涂層的微觀硬度遠高于基體，F(xiàn)eCrRE涂層的平均微觀硬度為10.47±0.68 GPa，F(xiàn)eCr涂層的平均微觀硬度為8.05±0.53 GPa，基體20G的平均微觀硬度為1.66±0.26 GPa，涂層的硬度較高是由于涂層中存在著彌散分布的硼化物等其他硬質(zhì)相，可以有效提高涂層的微觀硬度[29-31]。同時，F(xiàn)eCrRE涂層的微觀硬度高于FeCr涂層，主要是由于稀土元素的添加可有效提高涂層的硬度，并且碳、硼等增強相元素含量較多，這都會導致FeCrRE涂層的硬度較大。

從圖4還可以看出，涂層的硬度值有一定的波動，但仍高于基體的硬度值，這與文獻[18]的結(jié)果是一致的。涂層中微觀硬度的波動變化，主要是噴涂過程中在涂層內(nèi)形成松散的氧化物以及孔隙等缺陷，這會使得局部的微觀硬度降低。同時，Habib等[32]的研究結(jié)果顯示局部微觀硬度的變化與噴涂過程中粒子的溫度和速度有關(guān)，粒子的溫度和速度決定涂層的氧化物含量和致密度，這與本工作的研究結(jié)果是相似的。涂層硬度較高可以提高涂層的耐磨性，也反映了涂層具有較高的抗承載能力[33]。

2.4 涂層的耐磨性能

耐磨性能是材料抵抗機械磨損的能力，通常用磨損量或者磨損率表征材料的耐磨性能，材料的磨損量或者磨損率越小，說明其耐磨性能越好[34,35]。在相同磨損條件下基體20G、FeCrRE涂層和FeCr涂層的質(zhì)量損失分別為79.86±6.23，9.20±0.96，15.40±1.41 mg。可以看出，F(xiàn)eCrRE涂層和FeCr涂層的質(zhì)量損失都明顯小于基體，主要原因是涂層中硼化物等硬質(zhì)相的存在，提高了涂層的硬度，相應(yīng)地也增加了其耐磨性能，所以在相同條件下磨損，涂層的質(zhì)量損失較低，F(xiàn)eCrRE涂層的硬度高于FeCr涂層，使得其磨損量較低，耐磨性能較好。Yuksel等[12]研究了硼化物含量對涂層耐磨性能的影響，結(jié)果顯示隨著硼化物含量的增加，涂層的質(zhì)量損失降低，耐磨性能更好。

為了更好地對比分析基體20G、FeCrRE涂層、FeCr涂層的耐磨性能，利用白光干涉儀對磨痕形貌以及磨痕輪廓曲線進行了測量分析，如圖5所示，磨痕參數(shù)見表2。

表2 20G、FeCrRE涂層和FeCr涂層的磨痕參數(shù)

從圖5a～5c中可以看出，在相同載荷和加載時間下，基體20G表面磨出一條很深的溝槽，而涂層的表面只是去除了很淺的一層，因為涂層的硬度遠大于基體的硬度，使得在相同磨損條件下，涂層的耐磨性能要優(yōu)于基體，磨損量也就越小。同時，相對于FeCr涂層來說，F(xiàn)eCrRE涂層磨痕相對較淺，沒有明顯的溝槽出現(xiàn)，這也說明了FeCrRE涂層的磨損性能要優(yōu)于FeCr涂層。

基體和涂層的磨損形貌可用于定性分析磨損性能的優(yōu)劣，除此之外，通過磨痕的輪廓曲線定量分析了磨痕的深度和寬度，可以更直觀地觀察基體20G、FeCrRE涂層、FeCr涂層的耐磨性能，如圖5d和表2所示?？梢钥闯?，基體的磨痕深度較深、寬度較窄，而涂層的深度較淺、寬度較大，并且FeCrRE涂層比FeCr涂層磨痕的深度要淺、寬度要寬，這與圖5a～5c中觀察到的磨痕形貌是一致的。這主要是因為基體的硬度較小，在載荷下，更容易切削基體表面，形成溝槽；涂層因硬度較大，表面不容易被切削形成較深的溝槽，而在表層發(fā)生脆裂、脫落，導致寬度變寬，并且硬度越大，這個現(xiàn)象會越明顯，因此，F(xiàn)eCrRE涂層比FeCr涂層磨痕的深度要淺、寬度要寬。

2.5 涂層的磨損機理

材料在磨損過程中最為常見的2種磨損機制為磨料磨損和黏著磨損[36-38]，在實際磨損過程中，材料的磨損往往是幾種機制同時存在的，而不是一種機制在起作用，只是某種機制會占主導地位，并且條件變化時，磨損類型也會變化，一種機制取代另一種機制占主導地位。

圖6為基體20G、FeCrRE涂層、FeCr涂層的表面磨損形貌。從圖中可以看出，基體上的犁溝較深、數(shù)量較少，這是因為基體相對于磨球來說硬度較低，磨損過程中容易發(fā)生塑性變形，在對磨面處發(fā)生切削，使得材料磨損量較大[39]，并且對磨面處部分被切削下來的材料在磨損產(chǎn)生的高溫下生成氧化物，附著在磨損面上。由于涂層硬度較高，脆性大，在淺表層面出現(xiàn)脆裂和剝落現(xiàn)象，產(chǎn)生的磨粒使得表面劃出較淺的犁溝。FeCrRE涂層因硬度大于FeCr涂層，在淺表層處主要發(fā)生的是脆裂和剝落，少量的磨粒在表面留下較淺的犁溝，而FeCr涂層主要是在表面產(chǎn)生大量的磨料，在對磨球的作用下對表層進行磨損，增加了磨損量。

3 結(jié) 論

(1)基體表面的粗糙度直接決定著涂層的結(jié)合性能，它為涂層的沉積提供錨固點，粗化后基體表面粗糙度Rz處于50～90 μm之間，F(xiàn)eCrRE涂層和FeCr涂層的結(jié)合強度分別為(40.29±1.92) MPa和(32.15±1.73) MPa，因為FeCrRE涂層的結(jié)構(gòu)更為致密，孔隙等缺陷較少，所以結(jié)合性能優(yōu)于FeCr涂層。

(2)高速電弧噴涂獲得的涂層呈典型的層片狀結(jié)構(gòu)，稀土元素的添加使得FeCrRE涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)更致密，導致涂層的孔隙率從2.22%±0.47%降低到0.92%±0.13%。

(3)涂層中硼、碳等硬質(zhì)相元素可提高涂層的硬度，使得基體到涂層的微觀硬度是增加的。同時，高碳含量及稀土元素的添加使得涂層的微觀硬度從(8.05±0.53) GPa(FeCr涂層)增長到(10.47±0.68) GPa(FeCrRE涂層)，這也暗示了FeCrRE涂層具有較好的耐磨性能。

(4)在相同磨損條件下，20G、FeCrRE涂層和FeCr涂層的質(zhì)量損失分別為(79.86±6.23) mg、(9.20±0.96) mg和(15.40±1.41) mg，基體的磨損量遠大于涂層，并且FeCrRE涂層的磨損量相較于FeCr涂層降低了40%。3種材質(zhì)隨硬度的增加，磨損機制從黏著磨損向磨料磨損轉(zhuǎn)變。