高速电弧喷涂FeAlCr3C2复合涂层的冲蚀特性

。。今

。。。。。。今表面改性技术

高速电弧喷涂Fe-Al/Cr3C2复合涂层的冲蚀特性

2

徐维普l，，徐滨士2，张 伟2，吴毅雄l，孟凡军2

（l.上海交通大学材料学院焊接研究所，上海 200030；2.装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 l00072）摘要：使用GW/CS-MS高温冲蚀试验机对高速电弧喷涂（HVAS）Fe-AI/Cr3C2复合涂层的冲蚀性能进行了研究，并用SEM、TEM、X-ray等手段观察分析了涂层的组织与结构、冲蚀表面和截面的形貌。结果表明，涂层具有典型的层状结构和较高的力学性能，涂层的耐冲蚀性能随温度的升高和冲蚀角度的增加而提高，涂层在常温时的冲蚀特性表现为脆性冲蚀，高于450C以后转变为塑性冲蚀。关键词：高速电弧喷涂；冲蚀特性；Fe-AI/Cr3C2复合涂层

中图分类号：TG174.422 文献标识码：A 文章编号：2054-6051（2005）02-0001-04

ErosionMechanismofHighVelocityArcSprayedFe-Al/Cr3C2Coating

2

XUWei-pul，，XUBin-shi2，ZHANGWei2，WUYi-xiongl，MENGFan-jun2

（l.WeIdingInstituteofMateriaIsScienceandEngineeringDepartment，ShanghaiJiaotongUniversity，Shanghai200030，China；2.NationaIKeyLaboratoryforRemanufacturing，Beijingl00072，China）

Abstract：TheerosionpropertiesofhighveIocityarcsprayed（HVAS）Fe-AI/Cr3C2compositecoatingweretestedandanaIyzedbyGW/CS-MShightemperatureerosionmachinery.ThemicrostructureandcompositionofthecoatingandthemorphoIogyoftheerosionsurfaceandthecoating'ssectionwereaIsoanaIyzedthroughSEM，TEMandX-ray.TheresuItsshowthatthecoatinghastypicaIIayeredconstructionandreIativeIygoodmechanicaIproperties.TheerosionresistanceincreaseswiththeincreaseoftemperatureanderosionangIes.TheerosionofthecoatingshowsbrittIenessmechanismatroomtemperature，howeverchangesintoductiIemechanismabove450C.

Keywords：highveIocityarcspraying（HVAS）；erosionmechanism；Fe-AI/Cr3C2compositecoating 铁铝金属间化合物具有优良的高温耐腐蚀、耐磨损、抗氧化性能，但因为塑性较低而难于加工。高速电弧喷涂具有熔滴喷射速度高、雾化效果好、涂层的结合强度高和涂层的孔隙率低等优点

［l，2］

［3~ll］

提供理论依据。

喷涂技术，在结构材料上喷涂铁铝金属间化合物涂层，既能解决铁铝金属间化合物加工成形困难的缺点，又能充分发挥其优点，可使铁铝金属间化合物在工业上有望推广应用。Fe-AI涂层在室温和＞450C时的性能较差。而有些零部件要求从室温到高温都具有较好的性能，特别是电站锅炉要求良好的高温性能，因此必须提高Fe-AI涂层室温和高温性能。Cr元素是唯一可以大幅度提高铁铝合金塑性的元素，在涂层中添加Cr3C2增强相制备Fe-AI/Cr3C2复合涂层，能有效改善高温下铁铝金属间化合物的组织和性能，因此具有广阔的应用前景。本文对比研究了高速电弧喷涂Fe-AI/Cr3C2复合涂层与其它材料在不同温度下的冲蚀特性，探讨了涂层的冲蚀机理，为该复合涂层的工业应用

作者简介：徐维普（l977-），男，山东烟台人，博士生，主要从事焊接与热喷涂涂层组织与性能的研究工作。联系电话：0l0-667l9225，l352l007273 E-maiI：xwp@http://wendang.chazidian.com基金项目：国家自然科学基金项目（50235030，50005024）收稿日期：2004-04-22

。。今

。。。。。。今

l 试验材料与方法

1.1 试验材料

喷涂材料是!3mm的Fe-AI/Cr3C2粉芯丝材，丝材外皮选用高级优质低碳0SF钢带，0SF钢带具有良好的塑性加工性能，不需要中间退火处理。填充的粉末主要为Fe、AI、Cr和Cr3C2。粉芯丝材采用多辊连续轧制和多道连续拔丝减径方法制造。高速电弧喷涂用基体为20钢，主要化学成分（质量分数，%）：0.l7~0.24C，0.l7~0.37Si，0.35~0.65Mn，Cr，＄0.25Ni、＄0.25Cu；尺寸为25mm>l6mm>4mm。喷涂前先对基体的非喷涂面进行固体渗铝，以防基体材料氧化增重影响试验结果。渗铝剂配方为l5%AI粉+S4%AI203粉+0.5%NH4CI+0.5%KHF2，渗铝工艺：900C>4h，渗铝层厚为400!m左右。1.2 试验方法

用丙酮清洗试样，去除表面的油污和其它脏物，然后对试样的喷涂面进行喷砂处理，喷砂工艺为：砂料为棕刚玉，粒度约0.7lmm（25目），气压0.7Mpa，喷砂角度45 ，喷砂距离200mm。高速电弧喷涂使用CDMAS300系统和装备再制造技术国防科技重点实验室研制的HAS-0l高速喷枪。喷涂参数为：喷涂电压32V，

l

。利用高速电弧

《金属热处理》2005年第30卷第2期

喷涂电流lS0A，空气压力0.55Mpa，喷涂距离300mm。 高温冲蚀磨损试验在GW/CS-MS装置上（见图l）参照ASTMG76—l995标准进行。试验条件：大气环境，试验温度25~650C，磨料为平均粒度250!m的石英砂和石景山高井发电厂的飞灰，飞灰磨粒的形貌如图2所示。由图2可以看出，飞灰磨粒呈不规则球形，AI203及EDS成分分析表明飞灰磨粒主要由Si02、少量Fe、Ca氧化物及碱金属盐组成。磨粒喷射速度为62m/s，攻角分别为30 和90 ，冲蚀时间75~90min，总砂量l25~l75g。试样尺寸为25mmXl6mmX5mm，涂层厚0.6~0.Smm，磨至厚约0.5mm。

和EDAX的结果可知图3b的SEM照片背散射图中的灰色基体相为Fe-AI金属间化合物（Fe3AI、FeAI）和"相，白色为硬质相，扁平颗粒之间为黑色AI203氧化物膜。表l列出了涂层的结合强度、显微硬度及孔隙率等性能。由表l可以看出铁铝涂层具有较低的孔隙率，添加Cr3C2后涂层的结合强度和硬度显著提高。

表1 Fe-al/Cr3C2复合涂层的性能

Table1 ThepropertiesofFe-al/Cr3C2compositecoatings

CoatingFe-AI

Fe-AI/Cr3C2

Adhesionstrength

/Mpa24.53S

Microhardness（HV0.l）23S.929S

porosity（%）

l.S32.0l

图l GW/CS-MS冲蚀装置结构简图Fig.l SchematicofGW/CS-MSerosioneguipment

图3 Fe-AI/Cr3C2复合涂层横截面组织形貌的SEM照片

（a）截面图 （b）背散射像

Fig.3 TransversesectionSEMimagesoftheFe-AI/Cr3C2

compositecoatings

（a）cross-sectionaImorphoIogy （b）backscatteredeIectronimage

2.2 涂层的冲蚀性能

图4为高速电弧喷涂Fe-AI/Cr3C2复合涂层在不同冲蚀温度和冲蚀角度下的冲蚀结果。由图4可以看出，随着温度的升高，涂层的耐冲蚀性能提高，在高温

图2 冲蚀飞灰的SEM形貌

Fig.2 SEMmorphoIogyoftheerosionfIyashes

下涂层甚至出现了冲蚀增重。在高温下，尖锐的石英磨粒划过涂层表面，使一部分氧化膜由于和基体塑性变形不协调而开裂和剥落，从而使新鲜涂层合金暴露出来。合金中的AI由于和氧有较高的亲和力，容易氧化促进损伤氧化膜的愈合，同时涂层合金由于发生塑性变形，化学位升高，活性增大，使AI的氧化加速，表现为涂层增重。当磨粒连续不断地冲击涂层表面时，涂层表面氧化膜厚度增加的速率高于氧化膜的破裂去除和涂层合金的损耗速率时，就表现出涂层增重趋势，涂层的高温耐冲蚀性能因此得到提高。复合涂层的耐冲蚀性能明显高于20钢和铁铝涂层的。

冲蚀角度对涂层的冲蚀性能同样有影响。由图4可知，涂层在30 的攻角下的冲蚀损失大于90 攻角下的冲蚀损失。这是由于在30 的攻角下，涂层受到冲击和刮削两方面的作用，从而加剧了冲蚀。

涂层在不同温度下的冲蚀表面和截面的形貌如图

使用带有EDAX的phiIipsOuant200型扫描电镜分析涂层的截面组织及磨痕形貌。用DSAdvance型X射线衍射仪和HS00型透射电镜对涂层进行了组织和相结构分析。

2 试验结果与分析

2.1 Fe-al/Cr3C2复合涂层的组织与性能

图3为高速电弧喷涂Fe-AI/Cr3C2复合涂层横截面的组织形貌。从图3a可以看出，涂层具有明显的层状结构，层状的扁平颗粒之间是黑色的氧化物和孔隙。涂层主要对Fe-AI/Cr3C2复合涂层的衍射研究表明，

相为Fe-AI金属间化合物（Fe3AI、FeAI）和"-AI（Fe）

Fe0?AI203、Cr3C2相；EDAX分析结果相、AIFe3C0.5、表明，Fe-AI/Cr3C2复合涂层的平均成分为Fe-l5.l5AI-2.93C-ll.26Cr-4.420（wt%）。结合相分析2

《金属热处理》2005年第30卷第2期

5。由图5观察发现，常温下冲蚀表面有层状剥离的现象，在450C下出现了脆性断裂与塑性刮削并存的现象。在常温下，由于涂层的脆性较大，涂层在反复冲击作用下，不断出现疲劳损伤。而涂层典型的层状结构，加剧了这种趋势。当疲劳损伤积累到一定程度时，会在层间缺陷处形成微裂纹，在外力的持续作用下，这些微裂纹长大、连接，沿层间的缺陷扩展。当这些裂纹扩

图4 冲蚀率与冲蚀温度和角度的关系Fig.4 ReIationshipamongtheerosionrate，

temperatureanderosionangIe

展到临界长度时，就会导致涂层中的扁平颗粒部分或整体脱落，出现剥落。因此，Fe-AI/Cr3C2复合涂层在常温下主要是脆性冲蚀。温度低于450C，涂

图5 Fe-AI/Cr3C2复合涂层的冲蚀SEM照片

（a）常温表面 （b）450C表面 （c）650C表面 （d）450C截面 （e）650C截面

Fig.5 SEMimagesoftheFe-AI/Cr3C2compositecoatings

（a）roomtemperatureerosionsurface （b）450Cerosionsurface （c）650Cerosionsurface

（d）450Cerosioncross-section （e）650Cerosioncross-section

层表现出脆性材料的冲蚀行为；在450C时，涂层的冲蚀机理发生变化，呈现出脆性与塑性共存的冲蚀行为。冲蚀行为的变化，一方面表明涂层的冲蚀机理发生改变，另一方面也间接表明涂层的表面状态和结构也发生改变，即具有一定保护作用氧化膜的形成。氧化膜的出现使较低温度下材料的脆性冲蚀行为逐渐转变为较高温度下塑性的冲蚀-氧化行为，从而使其冲蚀机制发生了变化。

在高温下，涂层表面出现氧化层，由于添加了在冲蚀过程中会出现部分Cr203，它可以提高Cr3C2，

AI203的蠕变性能，细化AI203晶粒，减少AI203膜由生长应力导致的开裂，可以抑制氧化层的剥落，促进

［8］

AI的选择氧化，使表面AI203氧化层增多。对涂层

由于涂层中的物相存在着平行的晶的TEM试验表明，

体学取向关系，提高了涂层的结合能；而增强相与基体良好的物理化学相容性也提高了涂层的强度和韧

［9］

性。研究表明，Cr元素是唯一可以大幅度提高铁铝

涂层常温塑性性能的元素，粉芯丝材中Cr元素的添加，提高了涂层的常温性能。

3 结论

（l）高速电弧喷涂Fe-AI/Cr3C2复合涂层具有典型的层状结构和较好的力学性能，增强相在涂层中分布均匀。

（2）高速电弧喷涂Fe-AI/Cr3C2复合涂层的耐冲蚀性能随着冲蚀温度的升高和冲蚀角度的增加而提高。在室温下主要是脆性冲蚀，高于450C后

3

《金属热处理》2005年第30卷第2

期

球墨铸铁凸轮轴的激光表面熔凝处理

李双寿1，陆劲昆2，边庆月3，李生录1，王昆林2

（1.清华大学基础工业训练中心，北京 100084；2.清华大学机械工程系，北京 100084；

3.一汽铸造有限公司铸造一厂，吉林长春 130011）

摘要：分析了激光表面熔凝处理后球墨铸铁凸轮轴硬化层的组织和性能特点，并与其它强化方法进行了比较。结果表明，采用适当的激光表面熔凝处理工艺参数，可以在表面获得搭接均匀、表面硬度大于80HRA和厚度达1.0mm的硬化层；硬化层由熔凝层和淬硬层组成，其中熔凝层的基体组织主要为细小、均匀并且有一定方向性的亚共晶莱氏体，淬硬层主要由石墨球及其周围的硬质环、细马氏体和铁素体基体所组成。与其它铸铁凸轮轴强化方法相比，激光表面熔凝处理具有表面硬度高、组织细小均匀、零件畸变小和不影响心部性能等优点。关键词：凸轮轴；激光表面熔凝处理；组织与性能

中图分类号：TGl43；TGl56.99 文献标识码：A 文章编号：0254-605l（2005）02-0004-05

LaserSurfaceMeltingProcessforCamshaftMadeofDuctileIron

LIShuang-shou1，LUJin-kun2，BIANOing-yue3，LISheng-Iu1，WANGKun-Iin2

（1.FundamentaIIndustryTrainingCenter，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；2.MechanicaIEngineering

Department，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；3.TheFirstCastingPIant，FAWFoundryCo.，

Ltd.，ChangchunJiIin130011，China）

Abstract：MicrostructureandpropertiesofthehardenedIayeronductiIeironcamshaftstrengthenedbyIasersurfacemeItingprocesswereinvestigated，andaIsocomparedwiththeseoftheonesstrengthenedbyothermethods.TheresuIts转变为塑性冲蚀机理。

（3）室温下的涂层在冲蚀作用下呈现裂纹扩展和脱落过程；高温下，由于Cr203的存在、Cr3C2与基体相良好的物理化学相容性以及增强相在高温下良好的性能，保证了涂层在高温下有较好的耐冲蚀性能。

参考文献：

［1］ XUBin-shi，ZHUShao-hua，LIUShi-can，etaI.Thesisand

TechnoIogyonSurfaceEngineering［M］.Beijing：NationIn-dustryPress，1999.

徐滨士，朱绍华，刘世参，等.表面工程的理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，1999.

［2］ TIANBao-hong.SoIidParticIeErosionBehaviorofHighVe-IocityArcSprayedFe3AI/WCCoatingsatEIevatedTempera-ture［D］.Shenyang：InstituteofMetaIResearch，AcademiaSinica，China，2000.

田保红.高速电弧喷涂Fe3AI/WC复合涂层高温冲蚀行为研究［D］.沈阳：中科院金属所，2000.

［3］ KimHJ，KweonYG，ChangRW.WearandErosionBehav-iorofPIasma-SprayedWC-CoCoatings［J］.JournaIofTher-maISprayTechnoIogy，1994，（3）：169-178.

［4］ LevyAV，ManYF.Erosion-corrosionmechanismsandrates

inFe-CrsteeIs［J］.Wear，1989，131：39-51.

［5］ DeeviSC，SikkaVK，LiuCT.Processing，properties，and

appIicationsofnickeIandironaIuminides［J］.ProgressinMateriaIsScience，1997，42：177-192.

［6］ BanovicSW，DupontJN，MarderAR.ExperimentaIevaIua-tionofFe-AIcIaddingsinhigh-temperaturesuIfidisingenvi-ronments［J］.WeIdingResearch，2001，（3）：63-70.

［7］ StackMM，StottFH，WoodGC.Reviewofmechanismsof

erosioncorrosionofaIIoysateIevatedtemperature［J］.Wear，1993，162/164：706-712.

［8］ WANGYong-gang，HEYe-dong，OIHui-bin，ZHURi-zhang.TheeffectsofCr203onhighoxidationofFe3AI［C］.ChinaCorrosionControIConference'2000，2000：463-466.王永刚，何业东，齐彗滨，朱日彰.Cr203薄膜对Fe3AI高温氧化的影响［C］.中国腐蚀与防护学会2000年学术论文集，2000：463-466.

［9］ TANGWen-ming，TANGHong-jun，ZHANGZhi-xiang，et

aI.ProgressedinstudiesonFe-AIintermetaIIicmatrixcom-posites［J］.TheChineseJournaIofNonferrousMetaIs，2003，（8）：811-826.

汤文明，唐红军，郑治祥，等.Fe-AI金属间化合物基复合材料的研究进展［J］.中国有色金属学报，2003，（8）：811-826.

［10］ YANGWang-yue，SHENGLi-zhen，XUFeng，etaI.Substi-tutionaIeIementsInfIuencestothepIasticsandoxidationbehaviorofFe3AIintermetaIIics［J］.JournaIofUniversityofScienceandTechnoIogyBeijing，1996，（3）：249-154.杨王钥，盛丽珍，徐峰，等.代位合金元素对Fe3AI金属间化合物塑性与氧化行为的影响［J］.北京科技大学学报，1996，（3）：249-154.

［11］ StackMM，Chacon-NavaJ，JordanMP.EIevatedtempera-tureerosionofrangeofcompositeIayersofNi-CrbasedfunctionaIIygradedmateriaI［J］.Mater.Sci.TechnoI.，1996，12：171-177.

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