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摘 要：本文利用高速火焰喷涂工艺，依据增强相α–SiC添加量的不同，在20钢基材上制备出Fe-25Al/7SiC、Fe-25Al/11SiC、Fe-25Al/15SiC三种复合涂层，以期寻找防护锅炉“四管”的新材料。对复合涂层的结合强度、抗热震性能进行测试与分析，结果表明Fe-Al/SiC复合涂层性能优异，尤以Fe-25Al/11SiC复合涂层最佳。增强相α–SiC添加量的不同，导致三种涂层的性能存在差异。
关键词：α–SiC 结合强度 抗热震性
中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0072-03
Abstract：In this paper， three metal-ceramic composite coatings Fe-25Al/7SiC，Fe-25Al/11SiC and Fe-25Al/15SiC were made by high velocity flame spraying （HVFS） technology on the base of 20 steel according to the different content of strengthen phase α–SiC to find new protection material for the four tubes.The bond strength， thermal shock resistance of three Fe-Al/SiC composite coatings have been tested and analyzed .The results show that the Fe-Al / SiC composite coating has excellent performance， especially the Fe-25Al / 11SiC composite coating. The different additions of the enhancement phase α–SiC lead to differences in the performance of the three coatings.
Key Words：α–SiC; Bond strength;Thermal shock resistance
燃煤电站锅炉“四管”在生产运行当中，管壁爆管的现象，是影响电站锅炉正常生产的重要问题。利用高速火焰喷涂工艺，依据增强相α–SiC添加量不同，在20钢基材上制备Fe-Al/SiC复合涂层，以期寻找防护锅炉“四管”的新材料。
高速火焰喷涂（High Velocity Flame spraying，简称HVFS）是一种先进的火焰喷涂方法，是自等离子喷涂之后热喷涂技术的又一大进步。该技术的主要优点是成本低、能大幅度提高涂层的结合强度、密度和硬度。此外，由于喷涂粒子的飞行速度快，在空气中停留时间很短，因而发生氧化的机会减小。所以，采用高速火焰喷涂可以减少涂层中的氧化物夹杂[1]。
铁铝金属间化合物不包含战略性合金元素（如Ni，Cr）等，具有优良的抗氧化和抗硫化性能，多种介质中的抗腐蚀性和较好的高温强度，密度低，原料成本低，是一种理想的高温结构材料[2]。研究发现，在Fe–Al基合金中加入连续（如长纤维）或非连续的增强相（如短纤维、晶须及顆粒等），通过调节合金内部的应力分布、阻止裂纹扩展和充分发挥增强相的作用，能使其具有更好的综合性能。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
本试验基材选用火电站锅炉受热面管道的常用材料20钢。复合涂层配方中增强相α–SiC的添加量分别确定为：7%、11%、15%;其它组分材料的添加量见表1所示。
1.2 试样制备方法及组织观察
用铣床将20钢板切割成20mm（长）×15mm（宽）×
5mm（高）的长方体试样块，同时制备用于结合强度试验的对偶试样。采用CP-3000型高速火焰喷枪进行喷涂试验。采用Philips XL 30型扫描电子显微镜（SEM）观察涂层试样横截面的组织形貌。
1.3 涂层性能测试及分析
1.3.1 结合强度测试
按照GB/T8642-2002标准，采用对偶件拉伸试验法，在WE-10A万能材料试验机上测试涂层的结合强度。对偶试样A、B喷砂处理，将试样B的端面均匀地喷上待测结合强度的涂层，保证加工后涂层厚约为0.5mm。加载速度要求不超过1000±100N/s。
1.3.2 热震性能测试
热震试验所用设备为3X-6-13型高温箱式电阻炉。将喷涂好的3个试样放入箱式电阻炉中，加热到650℃，保温10～15min，取出，迅速投入室温水中冷却（水温20℃），待水面平静后取出，观察试样表面涂层有无裂纹产生或块状剥落，将第一次出现宏观裂纹或涂层剥落的次数定为涂层失效次数。
2 复合涂层的性能测试结果及分析
2.1 结合强度测试结果及分析
表2是三种复合涂层结合强度测试结果。对比数据可以看出，Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材20钢的结合状况最理想。 图1为三种Fe-Al/SiC涂层与基材结合处SEM照片。分析两图可以发现，Fe-25Al/7SiC复合涂层与基材结合状况最差，存在明显的裂纹;Fe-25Al/15SiC复合涂层与基材结合情况良好;Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材结合最佳，在涂层和基材的结合面几乎没有裂纹出现。依据图片可以推定，Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材的结合以机械结合为主，在某些微区存在冶金结合。
另外，观察图片涂层部分可以看出，Fe-Al/SiC复合涂层呈典型层状结构。分析发现，Fe-25Al/11SiC复合涂层层片更加细小，层片之间的结合更加紧密。
2.2 热震性能测试结果与分析
为适应电站实际应用的条件，试验所制备的复合涂层必须要具有一定抵抗热循环冲击的能力。抗热震性能是衡量涂层对温度急变的敏感程度的指标。表3为三种Fe-Al/SiC复合涂层抗热震性能的试验结果。由表可以看出，三种Fe-Al/SiC复合涂层分别经过99、121、127次热循环以后才出现开裂现象，显示出较好的抗热震性能。
从缺陷形式来看，涂层开裂的部位都是在试样的顶角处，试样表面并没有出现裂纹。顶角处是应力相对集中的地方，相对容易发生开裂。在热震试验过程中，试样表面没有出现裂纹，也说明涂层与基材匹配良好。
耐热震是α-SiC的一个重要的化学特性。分析认为，涂层中α-SiC的存在是其具有优异的抗热震性能的重要原因。同时，三种复合涂层抗热震性能的差异，也是由α- SiC添加量的不同引起的。比较而言，Fe-25Al/15SiC复合涂层的抗热震性能更加突出;Fe-25Al/11SiC复合涂层的抗热震性能次之，但相差不多;Fe-25Al/7SiC复合涂层最差。由此也可以看出，增强相α-SiC在涂层抗热震性能方面起到重要作用。随着α-SiC添加量的增多，涂层的抗热震性能逐渐增强。
同时，分析还认为由于增强相α-SiC的热膨胀系数与Fe-Al基体相差别较大，在经历多次强烈的热循环和热冲击后，增强相易于从基体上剥落。复合涂层与基材20钢的结合处容易产生裂纹，出现涂层剥落现象，最终使得涂层失效。所以，三种Fe-Al/SiC复合涂层的抗热震性能也受到限制，最高的也只是127次。
3 结语
通过试验得出如下结论：（1）Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材结合最佳，在涂层和基材的结合面几乎没有裂纹出现，结合形式以机械结合为主，在某些微区存在冶金结合。（2）α-SiC的存在是涂层具有优异的抗热震性能的重要原因。（3）α-SiC添加量的不同，是导致涂层之间的性能差异的主要原因。
參考文献
[1] L Fedrizzi，L Valentine，S Rossi. Tribocorrosion behaviour of HVOF cermet coatings[J].Corrosion science，2007（49）：2781-2799.
[2] 徐维普.增强相对高速电弧喷涂Fe-Al涂层性能的影响[J].上海交通大学学报，2005（1）：36-40.
关键词：α–SiC 结合强度 抗热震性
中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）05（b）-0072-03
Abstract：In this paper， three metal-ceramic composite coatings Fe-25Al/7SiC，Fe-25Al/11SiC and Fe-25Al/15SiC were made by high velocity flame spraying （HVFS） technology on the base of 20 steel according to the different content of strengthen phase α–SiC to find new protection material for the four tubes.The bond strength， thermal shock resistance of three Fe-Al/SiC composite coatings have been tested and analyzed .The results show that the Fe-Al / SiC composite coating has excellent performance， especially the Fe-25Al / 11SiC composite coating. The different additions of the enhancement phase α–SiC lead to differences in the performance of the three coatings.
Key Words：α–SiC; Bond strength;Thermal shock resistance
燃煤电站锅炉“四管”在生产运行当中，管壁爆管的现象，是影响电站锅炉正常生产的重要问题。利用高速火焰喷涂工艺，依据增强相α–SiC添加量不同，在20钢基材上制备Fe-Al/SiC复合涂层，以期寻找防护锅炉“四管”的新材料。
高速火焰喷涂（High Velocity Flame spraying，简称HVFS）是一种先进的火焰喷涂方法，是自等离子喷涂之后热喷涂技术的又一大进步。该技术的主要优点是成本低、能大幅度提高涂层的结合强度、密度和硬度。此外，由于喷涂粒子的飞行速度快，在空气中停留时间很短，因而发生氧化的机会减小。所以，采用高速火焰喷涂可以减少涂层中的氧化物夹杂[1]。
铁铝金属间化合物不包含战略性合金元素（如Ni，Cr）等，具有优良的抗氧化和抗硫化性能，多种介质中的抗腐蚀性和较好的高温强度，密度低，原料成本低，是一种理想的高温结构材料[2]。研究发现，在Fe–Al基合金中加入连续（如长纤维）或非连续的增强相（如短纤维、晶须及顆粒等），通过调节合金内部的应力分布、阻止裂纹扩展和充分发挥增强相的作用，能使其具有更好的综合性能。
1 试验材料与方法
1.1 试验材料
本试验基材选用火电站锅炉受热面管道的常用材料20钢。复合涂层配方中增强相α–SiC的添加量分别确定为：7%、11%、15%;其它组分材料的添加量见表1所示。
1.2 试样制备方法及组织观察
用铣床将20钢板切割成20mm（长）×15mm（宽）×
5mm（高）的长方体试样块，同时制备用于结合强度试验的对偶试样。采用CP-3000型高速火焰喷枪进行喷涂试验。采用Philips XL 30型扫描电子显微镜（SEM）观察涂层试样横截面的组织形貌。
1.3 涂层性能测试及分析
1.3.1 结合强度测试
按照GB/T8642-2002标准，采用对偶件拉伸试验法，在WE-10A万能材料试验机上测试涂层的结合强度。对偶试样A、B喷砂处理，将试样B的端面均匀地喷上待测结合强度的涂层，保证加工后涂层厚约为0.5mm。加载速度要求不超过1000±100N/s。
1.3.2 热震性能测试
热震试验所用设备为3X-6-13型高温箱式电阻炉。将喷涂好的3个试样放入箱式电阻炉中，加热到650℃，保温10～15min，取出，迅速投入室温水中冷却（水温20℃），待水面平静后取出，观察试样表面涂层有无裂纹产生或块状剥落，将第一次出现宏观裂纹或涂层剥落的次数定为涂层失效次数。
2 复合涂层的性能测试结果及分析
2.1 结合强度测试结果及分析
表2是三种复合涂层结合强度测试结果。对比数据可以看出，Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材20钢的结合状况最理想。 图1为三种Fe-Al/SiC涂层与基材结合处SEM照片。分析两图可以发现，Fe-25Al/7SiC复合涂层与基材结合状况最差，存在明显的裂纹;Fe-25Al/15SiC复合涂层与基材结合情况良好;Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材结合最佳，在涂层和基材的结合面几乎没有裂纹出现。依据图片可以推定，Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材的结合以机械结合为主，在某些微区存在冶金结合。
另外，观察图片涂层部分可以看出，Fe-Al/SiC复合涂层呈典型层状结构。分析发现，Fe-25Al/11SiC复合涂层层片更加细小，层片之间的结合更加紧密。
2.2 热震性能测试结果与分析
为适应电站实际应用的条件，试验所制备的复合涂层必须要具有一定抵抗热循环冲击的能力。抗热震性能是衡量涂层对温度急变的敏感程度的指标。表3为三种Fe-Al/SiC复合涂层抗热震性能的试验结果。由表可以看出，三种Fe-Al/SiC复合涂层分别经过99、121、127次热循环以后才出现开裂现象，显示出较好的抗热震性能。
从缺陷形式来看，涂层开裂的部位都是在试样的顶角处，试样表面并没有出现裂纹。顶角处是应力相对集中的地方，相对容易发生开裂。在热震试验过程中，试样表面没有出现裂纹，也说明涂层与基材匹配良好。
耐热震是α-SiC的一个重要的化学特性。分析认为，涂层中α-SiC的存在是其具有优异的抗热震性能的重要原因。同时，三种复合涂层抗热震性能的差异，也是由α- SiC添加量的不同引起的。比较而言，Fe-25Al/15SiC复合涂层的抗热震性能更加突出;Fe-25Al/11SiC复合涂层的抗热震性能次之，但相差不多;Fe-25Al/7SiC复合涂层最差。由此也可以看出，增强相α-SiC在涂层抗热震性能方面起到重要作用。随着α-SiC添加量的增多，涂层的抗热震性能逐渐增强。
同时，分析还认为由于增强相α-SiC的热膨胀系数与Fe-Al基体相差别较大，在经历多次强烈的热循环和热冲击后，增强相易于从基体上剥落。复合涂层与基材20钢的结合处容易产生裂纹，出现涂层剥落现象，最终使得涂层失效。所以，三种Fe-Al/SiC复合涂层的抗热震性能也受到限制，最高的也只是127次。
3 结语
通过试验得出如下结论：（1）Fe-25Al/11SiC复合涂层与基材结合最佳，在涂层和基材的结合面几乎没有裂纹出现，结合形式以机械结合为主，在某些微区存在冶金结合。（2）α-SiC的存在是涂层具有优异的抗热震性能的重要原因。（3）α-SiC添加量的不同，是导致涂层之间的性能差异的主要原因。
參考文献
[1] L Fedrizzi，L Valentine，S Rossi. Tribocorrosion behaviour of HVOF cermet coatings[J].Corrosion science，2007（49）：2781-2799.
[2] 徐维普.增强相对高速电弧喷涂Fe-Al涂层性能的影响[J].上海交通大学学报，2005（1）：36-40.