Al/Ni-WC复合涂层高温抗氧化性能与扩散分析

李德元; 孙继博; 李光全; 张楠楠; 祝成

沈阳工业大学学报 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (02) : 197 -204.

李德元, 孙继博, 李光全, 张楠楠, 祝成

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摘要

【目的】碳钢因其较差的抗氧化性能，在高温工况下的使用受到了严格限制。Ni-Al金属间化合物由于具有较高的熔点和较好的高温抗氧化性能，在实际工业领域应用众多。针对含有Ni-Al金属间化合物的涂层，研究其高温抗氧化涂层的进一步应用，提高碳钢的高温使用寿命，拟在碳钢表面制备Ni-Al反应改性涂层。【方法】采用超音速火焰喷涂在碳钢基体上制备Ni-WC涂层，随后在其上利用电弧喷涂制备Al涂层，在800℃不同时间扩散处理下使得涂层内的Ni-Al发生反应，以得到金属间化合物并增强其高温抗氧化性能。通过记录氧化增重曲线测试涂层的高温抗氧化性能。【结果】在高温氧化过程中Al/Ni-WC复合涂层在Al/Ni界面处原位生成了富铝的Ni-Al金属间化合物。Al/Ni-WC涂层经800℃扩散处理过程中，首先形成富Al的NiAl₃,且其表面Al原子与大气中的氧原子反应形成了Al₂O₃。随着反应时间的延长，在Al/Ni界面形成的NiAl₃相转变为抗高温氧化能力更优异的Ni₂Al₃相，两种Ni-Al金属间化合物本身具有高熔点和高温抗氧化性能，且在Al/Ni-WC复合涂层表面形成的Al₂O₃减缓了氧原子的扩散过程。Al/Ni-WC复合涂层试件的扩散层厚度随着扩散处理时间的延长呈现类似线性增长趋势。经800℃扩散处理后，Al/Ni-WC涂层中NiAl₃层的增厚速率较快，且在加热10 h后原位反应生成了更厚的Ni₂Al₃层。经800℃扩散处理20 h后，经过原位反应得到了比NiAl₃层稍厚一些的Ni₂Al₃层。由于Ni₂Al₃层熔点更高且更稳定，因而经过800℃扩散处理后的Al/Ni-WC涂层具有更好的高温抗氧化能力。经900℃/50 h扩散处理后的Al/Ni-WC涂层经循环氧化后存在陶瓷相Al₂O₃、WC和NiAl相，在陶瓷相和NiAl相的共同作用下呈现较好的高温抗氧化性能。测得不同扩散时间下Al/Ni-WC涂层的扩散层厚度，得到了Ni和Al之间的扩散关系式，其扩散反应动力指数为0.790 45,复合涂层对碳钢基体的保护作用明显提高。【结论】在氧化过程中形成的Ni-Al金属间化合物、Al₂O₃膜与涂层中原有WC相的共同作用下碳钢基体的高温抗氧化性能得到了明显提升。通过氧化增重实验可知，在Ni层中增加陶瓷相以后，金属-陶瓷复合涂层的高温抗氧化能力明显优于碳钢基体，因而对碳钢基体的保护效果更好。