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FeMnCrNiAlBSi/Cr3C2涂层组织与性能的研究

桑劲鹏  
【摘要】:本文选取低碳钢带作为表皮材料,选取适量Mn粉、Cr粉、Cr_3C_2粉、NiAl/NiAl2金属间化合物、FeB粉、FeSi粉、稀土硅铁合金作为芯粉材料,制成新型粉芯丝材,并以锅炉管道用钢20钢为基底材料,采用超音速电弧喷涂技术制备适用于燃煤电厂锅炉管道的耐高温冲蚀磨损的四种FeMnCrNiAlBSi/Cr_3C_2涂层(C1、C2、C3、C4)。通过设计一系列试验方法研究四种涂层的微观组织结构、显微硬度、结合强度、内聚强度、抗热震性能、抗高温氧化性能和抗高温冲蚀磨损性能,利用金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等分析手段进行探讨分析。 结果表明,涂层呈现典型的层状组织结构,组织致密。涂层由固溶体相,氧化物相和孔隙组成。涂层固溶体相含Fe、Mn、Cr、Ni、Al等元素,其中,C3、C4涂层中还含有B、Si元素。涂层氧化物区含有Fe、Mn、Cr、Ni、Al、O元素。四种涂层均表现出较高的显微硬度值,C3涂层平均显微硬度达到454.5 HV0.1。四种涂层均具有较高的结合强度,其中C4涂层的结合强度为11.5MPa;四种涂层的内聚强度均高于180MPa,其中C3、C4涂层的内聚强度分别达到:246.6MPa、258.7MPa,均可较好地满足实际使用要求。涂层的拉伸断口形貌表现为脆性-塑性相结合的特征,C4涂层韧窝形貌较为明显。四种涂层均热震23次以上发现明显裂纹,27次以上才脱落。C4涂层具有最好的抗热震性能。 经100小时氧化试验证实:C1、C2、C3、C4涂层的抗高温氧化性能比锅炉管道用钢20钢分别提高6倍、5倍、9倍和7倍。四种涂层的氧化表面皆生成Fe2O3、Fe与Cr的复合氧化物、Mn与Al的复合氧化物;C3表面生成致密且较完整的氧化膜,C3氧化膜中Al元素含量最高,为20.50At%,C3层间氧化物Cr含量较高,达18.20At%;四种涂层截面氧化程度大小依次为C2、C1、C4、C3。 四种FeMnCrNiAlBSi/Cr_3C_2涂层在冲击角60°时冲蚀率最高,高温冲蚀磨损特征介于塑性材料和脆性材料之间。四种涂层的抗高温冲蚀磨损性能均明显优于20钢,其中C3涂层表现出最佳的抗高温冲蚀磨损性能。FeMnCrNiAlBSi/Cr_3C_2涂层受磨粒破坏程度明显比20钢小,其高温冲蚀形貌呈现出塑性材料的特征。 相比于其它三种涂层,C3涂层具有致密均匀的组织结构,较高的结合强度、内聚强度和较好的抗热震性能,最高的显微硬度,以及最好的抗高温氧化和抗高温冲蚀磨损性能,可以作为火力发电厂锅炉管道的抗冲蚀磨损防护涂层进行应用。


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