LaB$_6$颗粒对等离子堆焊Inconel 625合金涂层高温抗氧化性能的影响——文献学习体会

文献背景与工程需求

李景奎等人2025年发表于《表面技术》的这篇论文，针对垃圾焚烧炉换热管在高温环境下的服役需求，研究了在Inconel 625（IN625）合金中引入LaB$_6$颗粒对等离子堆焊涂层微观组织和高温抗氧化性能的影响。该研究具有明确的工程导向：垃圾焚烧炉换热管长期在$800 \sim 1000\,^\circ\text{C}$的高温烟气环境中工作，面临严重的氧化腐蚀，导致换热管寿命缩短、频繁更换，严重影响焚烧炉的正常运行。

IN625是一种镍基高温合金，具有优异的耐高温氧化和腐蚀性能，已在垃圾焚烧炉换热管表面堆焊中广泛应用。然而，随着焚烧炉运行温度的不断提高（如超高温焚烧、协同焚烧等新型工艺），IN625涂层的高温抗氧化性能面临新的挑战，亟需通过合金化改性进一步提升其抗氧化能力。

等离子堆焊工艺与LaB$_6$颗粒的引入

等离子堆焊工艺特点

等离子堆焊（Plasma Arc Surfacing）利用等离子弧作为热源，将合金粉末或丝材熔化后熔敷在基体表面。其工艺特点包括：

等离子堆焊的能量密度高于普通电弧焊，熔池温度高、冷却速度快，有利于形成细化的组织。同时，等离子弧的稳定性好，适合自动化操作，适合批量生产。

LaB$_6$颗粒的特性与作用

LaB$_6$（六硼化镧）是一种具有高熔点（$2025\,^\circ\text{C}$）和高热稳定性的稀土化合物，平均粒径为$5\,\mu\text{m}$，添加量为$1\,\text{wt.}\%$。LaB$_6$颗粒在等离子堆焊过程中的作用可从以下层面理解：

• 异质形核核心：LaB$_6$颗粒的高熔点使其在熔池中保持固态，可作为异质形核核心，促进等轴晶的形核，抑制柱状晶的生长。
• 反应产物：LaB$_6$在熔池中与合金元素发生反应，生成La-Ti-O复合氧化物等细小弥散相，起到第二相强化的作用。
• 晶界钉扎：细小弥散的La-Ti-O复合氧化物钉扎在晶界上，阻碍晶粒在高温下的生长，实现晶粒细化。

微观组织演变分析

柱状晶向等轴晶的转变

文献的核心发现之一是LaB$_6$颗粒的添加促使IN625涂层从典型的柱状晶结构转变为柱状晶和等轴晶的混合结构。这一转变的机理可从凝固理论角度解释：

在常规IN625等离子堆焊中，熔池的凝固方向与热流方向一致（通常为垂直于基体表面），导致柱状晶沿热流方向生长。柱状晶的生长竞争决定了最终的组织形态。当熔池中引入LaB$_6$颗粒后，这些高熔点的固态颗粒作为异质形核核心，显著提高了等轴晶的形核率。当等轴晶的形核率超过柱状晶的生长速度时，柱状晶的生长被等轴晶"截断"，形成柱状晶-等轴晶的混合结构。

析出相的变化

LaB$_6$颗粒的添加还导致析出相明显增多，主要包括：

• 树枝状Laves相（Ni$_3$Nb）：这是IN625合金中常见的析出相，在高温下起到固溶强化和弥散强化作用。
• La-Ti-O复合氧化物：由LaB$_6$与合金中的Ti、O反应生成，细小弥散分布，起到第二相强化和晶界钉扎作用。

这些析出相的细小弥散分布对涂层的硬度和高温抗氧化性能均有积极影响。

高温抗氧化性能分析

抗氧化机理

文献在$1000\,^\circ\text{C}$下进行了高温抗氧化试验，结果表明LaB$_6$颗粒的添加使氧化常数从$(72 \pm 4) \times 10^{-2}\,\text{mg}^2/(\text{cm}^4 \cdot \text{h})$降低到$(26 \pm 3) \times 10^{-2}\,\text{mg}^2/(\text{cm}^4 \cdot \text{h})$，降幅达$64\%$。这一显著改善归因于以下多重机制的协同作用：

1. 晶粒细化促进Cr扩散：细化的晶粒使IN625/LaB$_6$样品在氧化时有更多的Cr通过晶界运输到氧化界面，形成致密的Cr$_2$O$_3$氧化膜。Cr$_2$O_3是高温抗氧化最关键的氧化膜，其致密性直接决定了氧化速率。
2. δ-Ni$_3$Nb层的形成：氧化界面附近Cr的大量消耗提高了Nb的活度梯度，促进了Nb向外扩散，在氧化膜/基体界面处形成了连续均匀的δ-Ni$_3$Nb层。该层作为阳离子和阴离子的扩散屏障，有效阻止了氧向内扩散和金属离子向外扩散。
3. CrNbO$_4$的形成：氧化膜表面形成了更多的CrNbO$_4$，同样作为扩散屏障发挥作用。
4. La-Ti-O复合氧化物的阻碍作用：晶界析出的La-Ti-O复合氧化物阻碍Ni、Fe和Nb等阳离子向外输运，避免了多种氧化物形成的生长应力使氧化层剥落。氧化层剥落是高温氧化腐蚀中最危险的失效模式，一旦氧化层剥落，新鲜金属暴露于氧化环境中，氧化速率急剧增加。

硬度提升

LaB$_6$颗粒的添加使显微硬度从$225.7\,\text{HV}_{0.3}$增加到$268.92\,\text{HV}_{0.3}$，提升幅度约$19\%$。硬度提升归因于晶粒细化（Hall-Petch效应）和析出相强化（Laves相和La-Ti-O复合氧化物）的协同作用。

工程应用前景与注意事项

垃圾焚烧炉换热管的修复与制造

LaB$_6$颗粒增强的IN625涂层在垃圾焚烧炉换热管中的应用前景广阔。垃圾焚烧炉换热管通常采用钢管（如20#钢或碳钢）作为基体，表面堆焊IN625合金涂层以提高耐高温氧化和腐蚀性能。LaB$_6$颗粒的引入可将涂层的抗氧化寿命延长$2 \sim 3$倍，显著降低换热管的更换频率和维护成本。

工艺实施中的注意事项

在实际工程应用中，采用LaB$_6$颗粒增强的IN625等离子堆焊技术需注意以下问题：

• LaB$_6$颗粒的分散均匀性：$1\,\text{wt.}\%$的LaB$_6$颗粒需要均匀分散在IN625合金粉末或丝材中，否则会导致局部成分偏析和性能不均。建议采用机械合金化或球磨工艺实现均匀分散。
• LaB$_6$颗粒的氧化：LaB$_6$在空气中易氧化，需严格控制粉末的储存和使用条件，建议在惰性气氛下操作。
• 堆焊层的稀释率：等离子堆焊中基体材料会稀释堆焊层，稀释率过高会降低LaB$_6$的有效浓度。需通过优化工艺参数（如降低熔深、增加堆焊层数）控制稀释率在$15\% \sim 25\%$以内。
• 多层堆焊的累积效应：多层堆焊时，前层LaB$_6$颗粒的分布和反应产物对后层组织有影响，需通过试验确定最佳层数和层间温度。

学习心得与启示

这篇文献的研究思路体现了现代表面工程领域的一个重要趋势：通过引入纳米或微米级第二相颗粒，在保持传统合金体系优势的基础上，进一步提升涂层的极端环境适应性。LaB$_6$颗粒作为一种高熔点稀土化合物，其"一石三鸟"的作用——异质形核、反应产物生成、晶界钉扎——展示了稀土元素在合金改性中的独特价值。

对于从事管件和管道表面强化工作的技术人员而言，这篇文献提供了以下启示：第一，高温抗氧化性能的提升不仅依赖于合金成分的优化，更依赖于微观组织的精细调控，晶粒细化是提升抗氧化性能的关键路径之一。第二，La-Ti-O复合氧化物作为晶界钉扎相的作用机理，为其他高温合金涂层的改性提供了可借鉴的思路。第三，氧化常数的定量评价方法是涂层抗氧化性能比较的可靠指标，建议在工程应用中建立基于氧化常数的涂层寿命预测模型。