双辉技术在制备Fe-AI-Cr合金层中的应用优势

双辉技术在制备Fe-AI-Cr合金层中的应用优势
摘要：近些年来，金属间化合物的研究已由传统的单一组分向多组分发展，即
开发以金属间化合物为基的两相或多相合金。

该多组分合金的优点在于，可将合
金组分进行优化，而使之形成一个有机整体，以获得各组分单独工作所不具备的
优良综合性能。

双层辉光等离子渗金属技术近十几年来得到飞速发展，是当前表
面合金化的最新技术之一，在制备Fe-AI-Cr合金层中具有较大的优势。

关键词：双辉技术；制备；Fe-AI-Cr合金层；应用
目前，对于工作环境恶劣且要求具有较长工作寿命的航空发动机和工业燃气轮机中的导
向叶片、涡轮叶片和涡轮盘等部件，以及在石油化工等行业中广泛使用的锅炉管道、化学反
应器和压力容器等制品而言，提高设备的运行周期和使用寿命已成为航空航天以及石油化工
等部门迫切需求，具有重要的研究价值和意义。

一、Fe-AI-Cr合金层的制备方法
迄今为止，国内外研究Fe-Al-Cr合金层制备方法的报道很少，已成功制备出该种合金层
的方法为热喷涂技术。

该技术是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动
使其雾化后高速喷射到零件表面而形成喷涂层的表面加工技术。

喷涂层与基体之间，以及喷
涂层中颗粒之间主要是通过镶嵌、咬合、填塞等机械形式连接，其次是微区冶金结合以及化
学键结合。

喷涂材料需要加热熔融，喷涂层与零件基体之间主要是机械结合，这是热喷涂技
术最基本特征。

具体而言，目前已有的制备Fe-Al-Cr涂层的热喷涂方法有：高速电弧喷涂和
超音速电弧喷涂。

（一）高速电弧喷涂技术
高速电弧喷涂技术是在两根连续送进的金属丝之间施加一定电压产生电弧，用该电弧产
生的热量使金属焊丝熔化。

将高压气体通过特殊设计的喷管加速后作为高速气流来雾化和加
速融化金属。

再将雾化的金属熔滴在压缩空气的作用下高速喷射到工件表面形成致密涂层。

高速电弧喷涂技术具有沉积效率高、涂层组织致密、电弧稳定性好、通用性强、经济性好等
特点。

但是，采用该技术的缺陷是：电弧的高温会烧损和蒸发涂层中的合金元素，降低了涂
层中应有合金元素的含量，严重影响了Fe-AI-Cr合金层的质量。

（二）超音速电弧喷涂
超音速电弧喷涂原理是利用电弧燃烧熔化丝材，通过拉伐尔喷嘴的加速而形成的超音速
气流将熔融状态的丝材雾化成均匀而粒度细小的微粒，喷在工件表面形成涂层。

进行超音速
电弧喷涂时，将电源的正负极分别接在连续送进且形成一定角度的两根丝材上，短接丝材的
端部形成电弧，在通电状态下电弧的燃烧保持稳定；经拉伐尔喷嘴加速后形成的超音速气流
从电弧发生点背后雾化已熔化的丝材，并喷射到经预处理的基材表面形成涂层。

该技术是一
个熔化-雾化-沉积不断重复的连续过程。

经超音速雾化后的粒子细小、均匀且速度高，有利
于制备高质量涂层。

采用超音速电弧喷涂技术制备所得合金层较高速电弧喷涂所得Fe-Al-Cr
合金层而言，结合强度得到进一步提高，同时降低了表面的孔隙率和表面粗糙度。

但其综合
机械性能、抗高温氧化、耐腐蚀性和耐磨性均不理想。

二、Fe-AI-Cr合金层制备方法存在问题
①与基体的结合强度低。

这是由于采用热喷涂技术，颗粒间的结合方式大部分为机械方式，而非冶金方式，故在合金层的颗粒之间存在一定数量的孔洞。

这些缺陷严重影响了合金
层在实际工况条件下的机械性能、抗高温氧化性、耐腐蚀性和耐磨性；②与基体材料间存在
较大的热应力。

这是由于热喷涂技术是将熔融状态的合金喷涂至基体上，在试验过程中必将
导致基体温度迅速上升，冷却后所得合金层与基体间存在较大的热应力，易造成涂层在使用
中产生崩裂现象；③易夹杂氧化物。

热喷涂技术是在空气中进行，处于熔融状态的喷涂材料
在高温、高速的情况下，易被氧化而形成氧化物。

因此所制备的合金层中必然会夹杂各种氧
化物，严重影响涂层性能；④成本高。

热喷涂技术需要大功率热源，并随着热源温度的升高，成本也不断提高；⑤污染环境，危害人体健康。

由于热喷涂技术中会产生大量的粉尘，故对
环境和人体均造成影响。

因此，材料学家一直在寻找新的表面处理技术来制备Fe-AI-Cr合金
层[1]。

三、双辉技术在制备Fe-AI-Cr合金层中的应用优势
双层辉光等离子表面冶金技术（简称双辉技术）是一种制备表面涂层的先进技术，为钢
铁表面合成Fe-AI-Cr合金层提供了具有现实意义的方法。

相比于其他表面处理技术而言，双
辉技术具有如下鲜明的优点：①渗速快。

基体金属表面由于受到高能粒子的轰击而被活化，出现了位错密度高的区域，增加了金属原子的扩散渠道，从而使合金原子的渗入速度大大加快。

于此同时，由于合金原子源源不断地从源极溅射到工件，基体表面的高元素区和浓度梯
度能够稳定存在，从而加快元素渗透速度；②不限制合金元素的种类，可实现多元共渗。

同时可通过调节工艺参数来控制合金层的组织形貌，保证工件上合金涂层的质量；③合金层组织致密，孔隙率小，无气孔、裂纹等缺陷，对基体机械性能影响小，工件可进行大面积处理，工作效率高；④合金元素成分沿合金层呈梯度分布，与基体间为冶金结合，不存在剥落等问题；⑤合金表面质量好，无环境污染。

这是由于双辉技术是在真空条件下进行的，因而不存在氢脆和氧化等问题；⑥节约资源和贵重金属，能耗小，成本低，具有较高的经济效益；
⑦无污染，不会对人体造成影响。

与其他表面技术相比，采用该双辉技术的优点在于合金层是由合金元素在高温下自由扩散形成的，合金层与基体之间为冶金结合，二者结合紧密[2]。

合金层中的元素在基体表面呈梯度分布，含量可在5%~90%之间变化，合金成分可控性高。

因此，利用这项技术制备Fe-AI-Cr合金层可以弥补传统制备方法的不足。

四、结语
总而言之，在采用双层辉光等离子表面冶金技术制备合金层过程中，等离子体的溅射、
输运、吸附及扩散等均受到源极电压、阴极电压、气压、温度、工作时间、极间距等工艺参
数的影响，因而不同工艺参数条件下所制备的合金层形貌和性能差异较大。

将双辉等离子表
面冶金技术运用在 Fe-Al-Cr 合金层制备中，能够从根本上提高基体的力学性能、抗高温氧化性、耐腐蚀性和耐磨损性，进而扩大该材料在各大领域中的应用。

参考文献
[1]罗西希，姚正军，张平则，陈煜，杨红勤，吴小凤，张泽磊，林玉划，徐尚君.采用双辉等离子表面冶金技术在45钢表面制备Fe-Al-Cr-Nb合金层的摩擦性能（英文）[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2015，11：3694-3699.
[2]魏东博.基于双辉技术的钛合金表面抗高温氧化合金层的制备及性能研究[D].南京航空航天
大学，2013.。