卓金管件有限公司LaB₆颗粒对等离子堆焊Inconel 625合金涂层高温抗氧化性能影响的学习体会
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，作者团队来自五邑大学机械与自动化工程学院及广东省科学院中乌焊接研究所，依托多项省市级科技计划项目和国家重点研发计划项目开展研究。研究针对垃圾焚烧炉换热管在高温环境下的服役需求，通过在Inconel 625（IN625）合金中引入LaB₆颗粒，采用等离子堆焊技术制备涂层，系统研究其对涂层微观组织、硬度及1000℃高温抗氧化性能的影响。
垃圾焚烧炉换热管长期处于高温、腐蚀性的烟气环境中，面临严重的氧化腐蚀问题。IN625合金因其优异的耐高温、耐腐蚀和力学性能，被广泛应用于高温部件的防护涂层。然而，随着换热管服役温度的不断提高，传统IN625涂层的高温抗氧化性能已难以满足需求。引入LaB₆颗粒改善涂层性能，成为一条值得探索的技术路线。
核心发现与技术原理
微观组织演变
| 涂层类型 | 晶粒形态 | 析出相 | 显微硬度（HV0.3） |
|---|---|---|---|
| IN625（未添加LaB₆） | 典型柱状晶 | 较少 | 225.7 |
| IN625/LaB₆（添加1% LaB₆） | 柱状晶+等轴晶混合结构 | 明显增多 | 268.92 |
LaB₆颗粒的添加促进了IN625合金中部分柱状晶向等轴晶组织的转变，实现了晶粒细化。这一现象可从以下机制理解：
- 异质形核：LaB₆颗粒作为异质形核核心，降低形核能垒，促进等轴晶的形成。
- 枝晶破碎：LaB₆颗粒在熔池中引起的流体动力学扰动，促进枝晶破碎，增加等轴晶核心数量。
- 析出相细化：LaB₆分解产生的La、B元素与合金中的Ti、O等元素反应，形成La-Ti-O复合氧化物等细小弥散析出相。
析出相组成
| 析出相类型 | 形态 | 功能作用 |
|---|---|---|
| Laves相 | 树枝状 | 强化基体，提高硬度 |
| La-Ti-O复合氧化物 | 细小弥散分布 | 高温下阻碍晶粒生长，细化晶粒 |
| δ-Ni₃Nb | 连续均匀层（氧化膜/基体界面） | 高温氧化期间作为扩散屏障 |
高温抗氧化性能
| 性能指标 | IN625 | IN625/LaB₆ | 改善幅度 |
|---|---|---|---|
| 氧化常数 | (72±4)×10⁻² mg²/(cm⁴·h) | (26±3)×10⁻² mg²/(cm⁴·h) | 降低约64% |
| 氧化膜特征 | 较疏松 | 致密，含CrNbO₄ | 显著改善 |
| δ-Ni₃Nb层 | 不明显 | 连续均匀 | 新增保护机制 |
高温抗氧化机理分析
1. 晶粒细化效应
晶粒细化使IN625/LaB₆样品在氧化过程中有更多的Cr通过晶界运输到氧化界面，形成致密的Cr₂O₃氧化膜。晶界是Cr快速扩散通道，晶粒越细小，晶界总长度越长，Cr的传输效率越高。
2. Nb的活度梯度效应
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。δ-Ni₃Nb层作为第二道扩散屏障，有效阻碍了基体中阳离子和阴离子的相互扩散。
3. CrNbO₄的形成
在氧化膜表面形成更多的CrNbO₄，其作为高温氧化期间阳离子和阴离子的扩散屏障，进一步抑制了氧化反应的进行。
4. La-Ti-O复合氧化物的阻碍作用
在晶界析出的La-Ti-O复合氧化物会阻碍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。这一机制对于提高氧化膜的附着力和完整性至关重要。
工艺参数与材料设计
| 参数 | 数值/条件 | 技术意义 |
|---|---|---|
| LaB₆添加量 | 1%（质量分数） | 适量添加，促进等轴晶转变 |
| LaB₆平均粒径 | 5 μm | 足够小以起到形核核心作用 |
| 堆焊方法 | 等离子堆焊 | 高能量密度，适合高温合金堆焊 |
| 抗氧化试验温度 | 1000℃ | 模拟垃圾焚烧炉换热管服役温度 |
| 基体材料 | 换热管（未明确，推测为碳钢或低合金钢） | 需考虑稀释效应 |
与工程实践的结合
垃圾焚烧炉换热管修复
垃圾焚烧炉换热管在高温烟气环境中服役，面临以下挑战：
- 高温氧化：烟气中O₂和H₂O在高温下与管壁金属反应，形成疏松氧化层
- 腐蚀：烟气中SO₂、HCl、H₂S等酸性气体与金属反应，造成腐蚀
- 磨损：飞灰颗粒冲刷管壁，造成磨蚀
采用LaB₆改性IN625等离子堆焊涂层，可有效提高换热管的高温抗氧化性能，延长服役寿命。
其他高温部件应用
| 应用场景 | 服役温度 | 腐蚀环境 | 适用性 |
|---|---|---|---|
| 垃圾焚烧炉换热管 | 800~1000℃ | 含S、Cl酸性烟气 | 高 |
| 工业锅炉水冷壁 | 600~900℃ | 含灰渣 | 中高 |
| 燃气轮机部件 | 800~1100℃ | 高温燃气 | 高 |
| 石化裂解炉管 | 800~1200℃ | 含C、S | 中 |
| 航空发动机热端部件 | 900~1200℃ | 高温燃气 | 高 |
工艺实施要点
- LaB₆颗粒的均匀分散：LaB₆颗粒与IN625粉末的混合均匀性直接影响堆焊层的组织均匀性，建议采用球磨混合工艺。
- 等离子堆焊参数优化：需根据基体材料、堆焊层厚度要求，优化电流、电压、扫描速度等参数。
- 堆焊层厚度控制：堆焊层过薄则保护不足，过厚则可能产生裂纹，建议控制在1~3 mm范围内。
- 层间温度控制：多层堆焊时，需控制层间温度，避免过热导致组织粗化。
关键疑问与思考
- LaB₆添加量的优化：文献仅研究了1%添加量，未系统考察不同添加量的影响。添加量过低可能效果不明显，过高可能导致脆性相过多，需要建立添加量-性能关系曲线。
- 长期抗氧化性能：文献的抗氧化试验时间未明确说明，长期抗氧化性能（如1000小时以上）需要进一步验证。
- 热循环稳定性：换热管在启停过程中经历反复热循环，LaB₆改性涂层的抗热疲劳性能如何？这是工程应用必须关注的问题。
- 稀释效应：等离子堆焊过程中，基体材料会稀释堆焊层，LaB₆的实际含量会低于名义添加量，需要评估稀释效应对性能的影响。
- 与其他改性方法的对比：LaB₆改性与其他改性方法（如添加Y₂O₃、CeO₂等稀土氧化物）相比，性能优势和成本效益如何？
学习心得与启示
本文的研究为高温合金涂层改性提供了新的思路。LaB₆颗粒的引入，通过晶粒细化和多相析出，实现了硬度提升和抗氧化性能的大幅改善，这一成果具有重要的工程应用价值。
从技术角度看，本文的研究方法值得借鉴：
- 系统研究：从微观组织到宏观性能，建立了完整的构效关系
- 机理分析：深入分析了抗氧化性能提升的多重机制，包括晶界扩散、活度梯度、扩散屏障等
- 工程导向：研究背景明确针对垃圾焚烧炉换热管的实际需求，具有明确的工程应用目标
对于从事钢管管件高温防护的同行，本文提示我们：
- 稀土化合物在涂层改性中具有巨大潜力，LaB₆作为一种新型稀土化合物，其应用前景值得进一步探索
- 多相协同保护机制是提高涂层抗氧化性能的有效途径
- 晶粒细化是改善涂层性能的基础手段，但需要综合考虑其对韧性和抗热疲劳性能的影响
未来研究方向应聚焦于：LaB₆添加量的系统优化、长期服役性能评价、热循环稳定性研究、以及与其他改性方法的协同效应。这些问题的深入解答，将有助于推动LaB₆改性高温合金涂层在钢管管件领域的工程化应用。