LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel625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

本文出自五邑大学与广东省科学院中乌焊接研究所的联合研究团队，发表于《表面技术》2025年第54卷第6期。研究针对垃圾焚烧炉换热管在高温环境下的服役需求，在Inconel 625（IN625）合金中引入1%（质量分数）平均粒径为5微米的LaB6颗粒，采用等离子堆焊技术制备涂层，系统评价了LaB6颗粒对涂层微观组织、硬度和1000摄氏度高温抗氧化性能的影响。

垃圾焚烧炉换热管长期在800至1000摄氏度的高温烟气环境中工作，面临严重的氧化腐蚀和热疲劳损伤。IN625合金因其优异的耐腐蚀性和高温强度，常被用于换热管表面的保护涂层。然而，随着服役温度的不断提高，常规IN625涂层的高温抗氧化性能已不能满足需求，亟需开发具有更优高温抗氧化性能的新型涂层体系。

核心技术发现

LaB6颗粒对微观组织的影响

研究揭示了LaB6颗粒对IN625等离子堆焊涂层微观组织的显著影响。未添加LaB6的IN625样品呈现典型的柱状晶结构，这是等离子堆焊快速凝固条件下的典型组织特征。柱状晶的形成与熔池的定向凝固有关——热量从熔池底部向表面传导，凝固前沿平行于热流方向生长，形成柱状晶。

添加1% LaB6颗粒后，IN625/LaB6样品转变为柱状晶和等轴晶的混合结构。这一转变机制可从以下方面理解：LaB6颗粒在熔池中作为异质形核核心，促进等轴晶的形核。LaB6的熔点高达2495摄氏度，远高于IN625合金的熔点（约1300摄氏度），因此在熔池中保持固态，为等轴晶的异质形核提供了大量形核位点。同时，LaB6颗粒的加入改变了熔池的凝固条件，促进了等轴晶的长大。

析出相的变化

LaB6颗粒的添加使IN625/LaB6样品中析出相明显增多，主要包括树枝状的Laves相和La-Ti-O复合氧化物。Laves相是IN625合金中的典型析出相，主要由Ni、Cr、Mo、Nb等元素组成，具有高硬度和高温稳定性。La-Ti-O复合氧化物是LaB6与IN625中的Ti、O元素反应生成的新型析出相，其化学组成可能为La2Ti2O7或LaTiO3等钙钛矿型氧化物。

La-Ti-O复合氧化物细小弥散分布在基体中，在高温下起到阻碍晶粒生长的作用，从而细化晶粒。这一机制类似于弥散强化（Dispersion Strengthening），即第二相颗粒通过阻碍位错运动和晶界迁移来提高材料的强度和硬度。

硬度提升

LaB6颗粒的添加使涂层的显微硬度从225.7 HV0.3提升至268.92 HV0.3，增幅约19.1%。硬度提升的原因包括：第一，晶粒细化带来的Hall-Petch强化效应；第二，La-Ti-O复合氧化物弥散强化；第三，Laves相含量增加带来的沉淀强化。三种强化机制的协同作用，使涂层的硬度得到显著提升。

高温抗氧化性能分析

氧化膜形成机制

在1000摄氏度高温抗氧化实验条件下，晶粒细化使IN625/LaB6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氧化膜。这一机制的阐明具有重要的理论意义。

在金属高温氧化过程中，Cr的扩散是形成致密Cr2O3氧化膜的关键。柱状晶结构中，晶界面积较小，Cr的扩散通道有限；而等轴晶结构中，晶界面积显著增加，为Cr的快速扩散提供了更多通道。因此，LaB6颗粒引起的晶粒细化，间接促进了致密Cr2O3氧化膜的形成。

Nb的扩散与δ-Ni3Nb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-Ni3Nb层。这一发现具有重要的工程意义。δ-Ni3Nb层是一种高温稳定的金属间化合物，具有优异的抗氧化性能。该层的形成，相当于在氧化膜与基体之间增加了一层保护屏障，进一步提高了涂层的抗氧化性能。

CrNbO4的形成与扩散屏障作用

在氧化膜表面形成了更多的CrNbO4，CrNbO4与δ-Ni3Nb层共同作为高温氧化期间阳离子和阴离子的扩散屏障。CrNbO4是一种复杂的铬铌氧化物，其致密的晶体结构有效阻碍了O²⁻向内扩散和金属阳离子向外扩散，从而减缓了氧化速率。

氧化常数的显著降低

LaB6颗粒的添加使氧化常数从(72±4)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)降低到(26±3)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)，降幅达63.9%。氧化常数是评价材料高温抗氧化性能的核心指标，其值越低表示抗氧化性能越好。这一显著的改善，充分证明了LaB6颗粒对IN625涂层高温抗氧化性能的提升效果。

工程应用思考

垃圾焚烧炉换热管的修复与保护

垃圾焚烧炉换热管的工作条件极为恶劣：烟气温度高（800至1000摄氏度）、含氧量高、含有酸性气体（SOx、HCl等）、存在飞灰磨损。在这种工况下，换热管表面的保护涂层面临氧化、腐蚀、磨损的复合损伤。LaB6增强的IN625等离子堆焊涂层，通过提高高温抗氧化性能，有望显著延长换热管的服役寿命。

等离子堆焊工艺的特点与优势

等离子堆焊（Plasma Arc Cladding）采用等离子弧作为热源，具有能量密度高、熔池深、稀释率可控、堆焊效率高等特点。与激光堆焊相比，等离子堆焊的设备成本较低，适合大面积堆焊；与电弧堆焊相比，等离子堆焊的熔池温度更高、合金元素过渡更好、堆焊层质量更优。在换热管修复中，等离子堆焊是一种经济有效的技术选择。

LaB6颗粒的添加工艺

LaB6颗粒的添加需要在焊前进行精确控制。1%的质量分数是一个经过优化的添加量，过少则效果不明显，过多则可能产生不利影响。5微米的平均粒径也是一个关键参数，粒径过小可能导致颗粒在熔池中完全溶解，失去异质形核作用；粒径过大则可能导致颗粒分布不均，影响堆焊层均匀性。在实际生产中，应严格控制LaB6颗粒的粒径分布和添加量。

学习心得与启示

本文的研究体现了"微合金化"思想在先进堆焊涂层设计中的应用。通过在IN625合金中引入微量LaB6颗粒，实现了微观组织的显著改善和高温抗氧化性能的质的飞跃。这种"小剂量、大效果"的合金化策略，在工程材料设计中具有广泛的适用性。

La-Ti-O复合氧化物的形成是一个值得深入研究的课题。LaB6中的La与IN625中的Ti和O发生反应，生成了具有特殊结构和性能的复合氧化物。这种原位反应生成的第二相，比外加的第二相具有更好的界面结合和更均匀的分布，是材料设计中值得借鉴的思路。

从工程应用角度看，LaB6增强的IN625等离子堆焊涂层为垃圾焚烧炉换热管的修复和防护提供了新的技术方案。其氧化常数降低63.9%的显著效果，意味着换热管的更换周期可以大幅延长，从而降低运维成本，提高焚烧炉的运行效率。这一成果对于推动垃圾焚烧行业的绿色发展和节能减排具有重要的实践价值。

本文的研究还启示我们，在堆焊涂层设计中，不应仅关注涂层的成分和硬度，更应关注其在实际服役条件下的综合性能。高温抗氧化性能是评价换热管保护涂层的关键指标，LaB6颗粒的引入正是针对这一核心需求而设计的。这种"问题导向"的材料设计思路，值得在工程实践中推广。