2种FeCr基高速电弧涂层的组织和耐磨性能对比研究

钱维兴, 李 杰, 盛耀飚, 刘成威,覃恩伟, 陈国星, 陆海峰, 魏少翀, 尹 嵩, 吴树辉

(1. 吴江罗森化工有限公司, 江苏苏州 215237；2. 苏州热工研究院有限公司, 江苏苏州 215004)

0 前 言

热电厂循环流化床锅炉在实际燃烧运行过程中，物料颗粒在复杂动态过程中冲刷水冷壁等锅炉管壁，使得管壁磨损减薄，容易发生爆管等事故，影响正常的安全生产运行，造成经济损失。国内外的大量研究认为热喷涂技术可以有效解决锅炉管的磨损问题[1,2]。常见的热喷涂技术包括高速电弧喷涂、等离子喷涂、火焰喷涂等[3-5]，其中高速电弧喷涂技术由于具有成本低、生产效率高以及便于现场施工等优点而被广泛应用[6]。FeCr基合金由于具有优异的力学性能，并且与Co基和Ni基合金相比，其成本较低，在工业领域拥有广阔的应用前景，受到广泛关注[7]。

喷涂前需要对基体表面进行喷砂处理，目的是对基体表面进行净化和粗化，基体表面的预处理状况决定了涂层与基体的结合性能，影响着涂层的服役寿命。杨晖等[8]研究了表面粗糙度对涂层结合性能的影响，研究结果显示粗糙度在25～100 μm之间时，有助于涂层与基体的结合(粗糙度为取样长度内5个最大的轮廓峰高的平均值与5个最大的轮廓谷深的平均值之和)。Guo等[9]研究了Fe基涂层的微观组织结构，结果显示涂层呈典型的层状结构，在片层间有氧化物和孔隙等缺陷出现，孔隙率在1.9%～2.2%之间，这都会降低涂层的力学性能；Tian等[10]也展示了相似的研究结果。因此，通过改进喷涂设备以及喷涂工艺来降低涂层缺陷是未来研究的重点[11]。Yuksel等[12]研究了硬质相对涂层耐磨性能的影响，结果显示硬质相含量的增加，可以降低涂层的磨损量，有效提高涂层的耐磨性能。魏增菊等[13]也展示了相似的研究结果，发现铁基中碳化物的存在可有效提高涂层的硬度，增强耐磨性能。高振等[14]研究显示稀土元素的添加有助于铁基涂层中非晶相的形成，其属于硬质相，有助于提高涂层的微观硬度，在摩擦磨损试验时，涂层表面出现断裂、剥离现象。田宝红等[15]研究显示稀土元素的添加会使喷涂层组织变得均匀，孔隙率降低，显微组织细化，微观硬度提高，耐磨性提高40%～80%。然而，大部分对铁基耐磨涂层的研究主要集中在实验室研究阶段，还未完成在实际工况下的成果应用。目前，市面上现有的防磨涂层以FeCr基为主，并通过添加一些微量元素来增加涂层的耐磨性能，但不同成分的铁基防磨涂层没有进行过系统性的性能分析比较，无法定量判别哪种涂层具有较好的防磨效果，所以，应对现有已应用到实际工况的涂层材料进行性能对比分析，定量判断其性能优劣，有助于帮助选择使用更有助于现场工况的涂层材料。

因此，本工作通过喷砂处理清洁和粗化基体表面，通过高速电弧喷涂技术制备FeCrRE基涂层和FeCr基2种涂层，研究涂层的微观组织结构及相组成、涂层的结合强度、基体到涂层表面微观硬度的变化以及涂层的耐磨性能，并对2种涂层的性能进行对比分析。

1 试 验

1.1 试验材料

试验选用的基体材料是锅炉管用钢20G板材，尺寸为100 mm×100 mm×10 mm。通过采用目前实际工况应用的2种FeCr基粉芯丝材(φ2.0 mm)，外皮均为不锈钢材料，其中一种碳含量更高，并且添加稀土氧化物CeO2，2种粉芯丝材的名义成分如表1所示，分别命名为FeCr和FeCrRE。粉芯丝材的主要制作工艺是在不锈钢外皮中填充粉末材料，经过连续的轧制、拉伸等变形工序，实现丝材的包覆、合圆及减径，生产出一定规格的粉芯丝材。

表1 粉芯丝材的成分含量(质量分数) %

1.2 涂层制备方法

在喷涂前对基材表面进行喷砂处理。喷砂预处理采用的砂粒为24目的石英砂，喷砂工艺参数为空气压力0.6～0.8 MPa、喷砂距离150～180 mm、喷砂角度 70°～80°。采用ZPG - 400型高速电弧喷涂机进行喷涂，根据拉伐尔喷管对喷枪进行了重新设计，使熔融粒子可以快速喷射到基材表面形成致密涂层[16]。经过对喷涂工艺的不断摸索以及优化，采用的喷涂工艺参数为：喷涂电压40～45 V，喷涂电流250～280 A，空气压力0.6～0.8 MPa，喷涂距离150～180 mm，喷涂角度80°～100°。

1.3 检测分析

采用Mitutoyo SJ 310型表面粗糙度仪测量粗化后基材表面的粗糙度。采用ZEISS Axi Observer A3型金相显微镜对涂层的截面组织形貌进行观察，并利用Image J定量分析软件测量涂层的孔隙率。采用Tscan VEGA TS型场发射扫描电子显微镜(SEM)观察高倍下涂层的显微组织。采用PANalytical X’Pert Pro型X射线衍射仪(XRD)对涂层表面进行物相分析。采用Qness Q10A+型维氏硬度计测定涂层的显微硬度，载荷2.98 N，保载时间10 s。依据GB/T 8642-2002“热喷涂 抗拉结合强度的测试”中规定的对偶试样拉伸法，采用高速电弧喷涂技术对FeCrRE涂层和FeCr涂层各制备5组喷涂拉伸试样，采用E7胶进行粘合，采用100kN - AG - IC型万能材料试验机测试涂层的结合强度。

采用HT - 500型摩擦磨损试验机对涂层进行磨损试验，对磨材料为φ5 mm的Si3N4球。为保证试验条件的一致性，在试验前用砂纸预先磨平试样表面，再进行抛光处理，试验条件为对磨半径2 mm，载荷6.17 N，转速560 r/min，对磨时间5 min。采用Bruker GT型白光干涉仪对磨痕进行三维形貌分析，并采用扫描电镜观察磨痕形貌，探究磨损机理。

2 结果与讨论

2.1 基体表面粗化分析

采用石英砂对基体表面进行净化和粗化处理，在基体表面形成粗糙面，涂层熔滴在压缩空气的作用下喷射到基体表面，冷凝收缩时在粗糙面处与基体相互咬合，形成机械结合，这直接决定了涂层与基体的结合性能。图1为喷砂后基体表面的微观形貌以及轮廓曲线。

从图1可以看出，相对初始研磨表面，喷砂后基体表面整体变得粗糙，随机分布着许多不规则形状的凸峰和凹坑，没有固定的取向，这为涂层与基体的机械结合提供了更多的锚固点，有利于提高涂层与基体的结合性能。Costil等[17]认为表面粗糙度和涂层的结合强度有关，基体表面粗糙形成的尖锐凸峰可有效提高涂层的结合性能。通过表面粗糙度仪测量了喷砂后基体表面的粗糙度Rz，测量值为50～90 μm，这与杨晖等[8]的结果是一致的。

2.2 涂层的显微组织

图2为2种涂层的显微组织形貌。从图中可以看出，2种涂层都具有典型的层片状结构，层与层之间相互交叠堆积，在层间分布有少量的孔隙和氧化物，在界面结合处，涂层与基体的结合良好。在喷涂过程中，高速飞行的高温熔滴不可避免地会发生氧化，撞击到基体表面时，熔滴铺展凝固在基体表面，经过后续粒子的不断堆叠沉积，形成涂层与其氧化物相间分布的层状结构。同时，熔滴中的Fe，Cr元素在飞行过程中会形成致密的氧化膜，可以对内部金属起到保护作用，阻止熔滴进一步氧化，降低了涂层的整体氧化物含量[18]。由于熔滴在飞行过程中具有不同的温度和速度，使得粒子的铺展、润湿和堆叠过程也不相同，相互之间出现不完全融合现象，同时熔滴的快速冷却使得气体来不及逸出，都会导致在涂层中形成孔隙。

涂层内部孔隙是一种重要的缺陷，对涂层的使用性能和服役寿命具有重要的影响，是评价涂层质量的重要标准[19]。孔隙作为固有的结构缺陷，影响涂层的结合强度等力学性能，比如会降低涂层的弹性模量，从而影响涂层的残余应力，形状越扁长的孔隙产生的应力集中越大，较大直径的圆形孔隙周围也容易产生较大的应力场，使材料的强度降低[20，21]，同时，涂层中的孔隙大多数聚集在层状粒子的交界处，裂纹也容易在孔隙处形成，这都会降低涂层的结合强度等性能。通过观察图2中涂层的显微组织形貌，可以发现FeCrRE涂层的致密度要高于FeCr涂层，测量得到的FeCrRE涂层的孔隙率为0.92%±0.13%，FeCr涂层的孔隙率为2.22%±0.47%，并且在FeCr涂层中还含有少量的微裂纹，这是因为涂层中不同的组织和物相在快速冷却成形的过程中，由于温度和热物性参数的差异而产生热效应力，从而导致在涂层中出现热裂纹或冷裂纹[22]。总体来说，FeCrRE涂层的组织结构优于FeCr涂层，获得的涂层更为致密，缺陷较少，这是因为FeCrRE涂层中含有稀土元素，稀土元素可以改善涂层的组织，减少孔隙率，提高涂层的致密度，进而提高涂层的力学性能[23]。

图3为2种涂层的XRD谱。从图中可以看出，涂层主要是由FeCr固溶体、Fe和Cr的氧化物和硼化物组成，氧化物是由喷涂过程中熔滴表层氧化引入的。喷涂层中的硼化物在固溶体中弥散分布，可有效提高涂层的硬度，这与Pokhmurska等[24]的研究结果硼元素可以有效提高涂层的硬度是一致的。

2.3 涂层的力学性能

2.3.1 涂层的结合强度

结合强度是反映涂层力学性能的一项重要指标，包括涂层与基体之间的结合强度以及涂层内部的内聚强度[25，26]。若结合强度较小，轻则会引起涂层的寿命降低，造成早期失效，重则造成涂层起皮、剥落失效。

先对E7胶的结合强度进行了测量，结果显示E7胶的平均结合强度为(75.59±2.20) MPa，满足试验研究。FeCrRE涂层和FeCr涂层的结合强度分别为(40.29±1.92) MPa和(32.15±1.73) MPa，说明了FeCrRE涂层的结合性能要优于FeCr涂层，因为涂层中的孔隙率等缺陷都会降低涂层的结合强度[27，28]，而FeCrRE涂层中的稀土元素可增加涂层的致密性，降低孔隙率等缺陷，因此FeCrRE涂层的结合强度要大于FeCr涂层。

2.3.2 涂层的微观硬度

图4为基体到涂层显微硬度的变化。从图中可以看出，FeCrRE涂层和FeCr涂层的微观硬度远高于基体，FeCrRE涂层的平均微观硬度为10.47±0.68 GPa，FeCr涂层的平均微观硬度为8.05±0.53 GPa，基体20G的平均微观硬度为1.66±0.26 GPa，涂层的硬度较高是由于涂层中存在着弥散分布的硼化物等其他硬质相，可以有效提高涂层的微观硬度[29-31]。同时，FeCrRE涂层的微观硬度高于FeCr涂层，主要是由于稀土元素的添加可有效提高涂层的硬度，并且碳、硼等增强相元素含量较多，这都会导致FeCrRE涂层的硬度较大。

从图4还可以看出，涂层的硬度值有一定的波动，但仍高于基体的硬度值，这与文献[18]的结果是一致的。涂层中微观硬度的波动变化，主要是喷涂过程中在涂层内形成松散的氧化物以及孔隙等缺陷，这会使得局部的微观硬度降低。同时，Habib等[32]的研究结果显示局部微观硬度的变化与喷涂过程中粒子的温度和速度有关，粒子的温度和速度决定涂层的氧化物含量和致密度，这与本工作的研究结果是相似的。涂层硬度较高可以提高涂层的耐磨性，也反映了涂层具有较高的抗承载能力[33]。

2.4 涂层的耐磨性能

耐磨性能是材料抵抗机械磨损的能力，通常用磨损量或者磨损率表征材料的耐磨性能，材料的磨损量或者磨损率越小，说明其耐磨性能越好[34,35]。在相同磨损条件下基体20G、FeCrRE涂层和FeCr涂层的质量损失分别为79.86±6.23，9.20±0.96，15.40±1.41 mg。可以看出，FeCrRE涂层和FeCr涂层的质量损失都明显小于基体，主要原因是涂层中硼化物等硬质相的存在，提高了涂层的硬度，相应地也增加了其耐磨性能，所以在相同条件下磨损，涂层的质量损失较低，FeCrRE涂层的硬度高于FeCr涂层，使得其磨损量较低，耐磨性能较好。Yuksel等[12]研究了硼化物含量对涂层耐磨性能的影响，结果显示随着硼化物含量的增加，涂层的质量损失降低，耐磨性能更好。

为了更好地对比分析基体20G、FeCrRE涂层、FeCr涂层的耐磨性能，利用白光干涉仪对磨痕形貌以及磨痕轮廓曲线进行了测量分析，如图5所示，磨痕参数见表2。

表2 20G、FeCrRE涂层和FeCr涂层的磨痕参数

从图5a～5c中可以看出，在相同载荷和加载时间下，基体20G表面磨出一条很深的沟槽，而涂层的表面只是去除了很浅的一层，因为涂层的硬度远大于基体的硬度，使得在相同磨损条件下，涂层的耐磨性能要优于基体，磨损量也就越小。同时，相对于FeCr涂层来说，FeCrRE涂层磨痕相对较浅，没有明显的沟槽出现，这也说明了FeCrRE涂层的磨损性能要优于FeCr涂层。

基体和涂层的磨损形貌可用于定性分析磨损性能的优劣，除此之外，通过磨痕的轮廓曲线定量分析了磨痕的深度和宽度，可以更直观地观察基体20G、FeCrRE涂层、FeCr涂层的耐磨性能，如图5d和表2所示。可以看出，基体的磨痕深度较深、宽度较窄，而涂层的深度较浅、宽度较大，并且FeCrRE涂层比FeCr涂层磨痕的深度要浅、宽度要宽，这与图5a～5c中观察到的磨痕形貌是一致的。这主要是因为基体的硬度较小，在载荷下，更容易切削基体表面，形成沟槽；涂层因硬度较大，表面不容易被切削形成较深的沟槽，而在表层发生脆裂、脱落，导致宽度变宽，并且硬度越大，这个现象会越明显，因此，FeCrRE涂层比FeCr涂层磨痕的深度要浅、宽度要宽。

2.5 涂层的磨损机理

材料在磨损过程中最为常见的2种磨损机制为磨料磨损和黏着磨损[36-38]，在实际磨损过程中，材料的磨损往往是几种机制同时存在的，而不是一种机制在起作用，只是某种机制会占主导地位，并且条件变化时，磨损类型也会变化，一种机制取代另一种机制占主导地位。

图6为基体20G、FeCrRE涂层、FeCr涂层的表面磨损形貌。从图中可以看出，基体上的犁沟较深、数量较少，这是因为基体相对于磨球来说硬度较低，磨损过程中容易发生塑性变形，在对磨面处发生切削，使得材料磨损量较大[39]，并且对磨面处部分被切削下来的材料在磨损产生的高温下生成氧化物，附着在磨损面上。由于涂层硬度较高，脆性大，在浅表层面出现脆裂和剥落现象，产生的磨粒使得表面划出较浅的犁沟。FeCrRE涂层因硬度大于FeCr涂层，在浅表层处主要发生的是脆裂和剥落，少量的磨粒在表面留下较浅的犁沟，而FeCr涂层主要是在表面产生大量的磨料，在对磨球的作用下对表层进行磨损，增加了磨损量。

3 结 论

(1)基体表面的粗糙度直接决定着涂层的结合性能，它为涂层的沉积提供锚固点，粗化后基体表面粗糙度Rz处于50～90 μm之间，FeCrRE涂层和FeCr涂层的结合强度分别为(40.29±1.92) MPa和(32.15±1.73) MPa，因为FeCrRE涂层的结构更为致密，孔隙等缺陷较少，所以结合性能优于FeCr涂层。

(2)高速电弧喷涂获得的涂层呈典型的层片状结构，稀土元素的添加使得FeCrRE涂层的微观组织结构更致密，导致涂层的孔隙率从2.22%±0.47%降低到0.92%±0.13%。

(3)涂层中硼、碳等硬质相元素可提高涂层的硬度，使得基体到涂层的微观硬度是增加的。同时，高碳含量及稀土元素的添加使得涂层的微观硬度从(8.05±0.53) GPa(FeCr涂层)增长到(10.47±0.68) GPa(FeCrRE涂层)，这也暗示了FeCrRE涂层具有较好的耐磨性能。

(4)在相同磨损条件下，20G、FeCrRE涂层和FeCr涂层的质量损失分别为(79.86±6.23) mg、(9.20±0.96) mg和(15.40±1.41) mg，基体的磨损量远大于涂层，并且FeCrRE涂层的磨损量相较于FeCr涂层降低了40%。3种材质随硬度的增加，磨损机制从黏着磨损向磨料磨损转变。