LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel 625合金涂层显微组织和高温抗氧化性能的影响——文献学习体会

文献概况与研究背景

本文发表于《表面技术》2025年第54卷第6期，由五邑大学与广东省科学院中乌焊接研究所联合完成，研究在Inconel 625（IN625）合金中添加1%质量分数、平均粒径5 μm的LaB6颗粒，采用等离子堆焊技术制备涂层，系统评价其微观组织、硬度及1000℃高温抗氧化性能。IN625是一种镍基高温合金，因具有优异的高温强度与抗氧化性能，广泛用于燃气轮机叶片、航空发动机热端部件及垃圾焚烧炉换热管等高温服役环境。随着服役温度的不断提高，IN625涂层的高温抗氧化性能面临挑战，如何在保持其固有优势的同时进一步提升抗氧化能力，是工程领域的迫切需求。

微观组织演变机制

晶粒结构转变

添加LaB6颗粒后，IN625/LaB6样品的组织从典型的柱状晶结构转变为柱状晶与等轴晶的混合结构。这一转变的机理在于：LaB6在堆焊熔池中分解产生La、B等活性元素，形成La-Ti-O复合氧化物等第二相粒子，这些弥散分布的细小粒子作为异质形核核心，促进等轴晶的形核，抑制柱状晶的定向生长。

析出相特征

La-Ti-O复合氧化物在高温下阻碍晶粒生长的作用是其提升抗氧化性能的关键。晶粒细化后，晶界面积增大，为氧化过程中Cr元素的扩散运输提供了更多通道，有利于在氧化界面形成致密的氧化膜。

硬度提升

显微硬度从225.7 HV0.3提升至268.92 HV0.3，增幅约19%。硬度提升源于两方面：一是Laves相的强化作用，二是La-Ti-O复合氧化物对晶粒的细化效果。

高温抗氧化性能机理

本文对1000℃高温抗氧化性能的机理解释较为深入，涉及多个层面的协同作用：

1. Cr的晶界运输加速：晶粒细化增加了晶界密度，Cr通过晶界快速运输至氧化界面，形成致密的Cr₂O₃氧化膜，这是高温抗氧化性的基础。
2. Nb的活性梯度驱动扩散：氧化界面附近Cr的大量消耗提高了Nb的活度梯度，促进Nb向外扩散，在氧化膜/基体界面处形成连续均匀的δ-Ni₃Nb层。该层作为高温氧化期间阳离子和阴离子的扩散屏障，有效阻止了氧化反应的进一步进行。
3. CrNbO₄的形成：氧化膜表面形成更多的CrNbO₄，与δ-Ni₃Nb层共同构成双重扩散屏障。
4. La-Ti-O复合氧化物的晶界锚定作用：晶界析出的La-Ti-O复合氧化物阻碍Ni、Fe、Nb等阳离子向外输运，避免了多种氧化物形成时的生长应力导致氧化层剥落。

抗氧化性能定量评价

氧化常数降低约64%是显著的改善，表明LaB6的添加大幅提升了IN625涂层在1000℃下的抗氧化性能。

与工程实践的结合

垃圾焚烧炉换热管应用

本文的研究背景直接指向垃圾焚烧炉换热管的服役问题。垃圾焚烧炉换热管长期处于高温烟气环境中，表面氧化腐蚀是其主要失效模式之一。IN625涂层虽具有良好的抗氧化性能，但在更高温度下仍需进一步提升。LaB6的添加为这一工程需求提供了可行的解决方案。

工艺实施要点

• LaB6颗粒的均匀分散：LaB6与IN625合金的混合均匀性直接影响涂层的性能一致性，需采用球磨、搅拌等手段确保分散均匀。
• 颗粒粒径控制：5 μm的平均粒径是优化结果，粒径过小可能导致团聚，粒径过大则异质形核效果减弱。
• 添加量优化：1%的添加量是本文的试验条件，需进一步研究不同添加量对性能的影响规律，确定最佳添加区间。
• 等离子堆焊工艺参数：堆焊电流、电压、送粉速度、扫描速度等参数的匹配需根据LaB6添加后的合金特性重新优化。

学习心得与启示

本文的研究体系完整，从微观组织到宏观性能，从机理分析到定量评价，形成了逻辑自洽的技术链条。LaB6作为稀土化合物在堆焊合金中的应用体现了稀土强化的经典思路，而La-Ti-O复合氧化物作为功能相的提出则展示了现代材料设计的前沿理念。对于从事高温合金涂层研发的工程师而言，本文的多尺度抗氧化机理分析具有直接的参考价值。需要进一步关注的是，LaB6添加对涂层力学性能（如抗热疲劳性、热震抗性）的影响，以及在实际服役条件下的长期抗氧化性能验证，这些是工程化应用前必须解决的关键问题。