LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel625合金涂层高温抗氧化性能影响的学习体会

研究背景与应用需求

垃圾焚烧炉换热管在高温烟气环境中长期服役，面临严重的氧化腐蚀问题。Inconel 625（IN625）合金因其优异的耐高温和抗氧化性能，常被用作换热管的表面防护涂层。然而，随着焚烧炉运行温度的不断提高，传统IN625涂层的高温抗氧化性能已难以满足日益严苛的工况要求。五邑大学李景奎等人2025年发表在《表面技术》第54卷第6期上的这篇论文，通过在IN625合金中引入LaB₆颗粒，采用等离子堆焊技术制备涂层，系统研究了LaB₆对涂层显微组织和高温抗氧化性能的影响。

垃圾焚烧炉的工况特点决定了涂层材料必须同时具备高温强度和抗氧化能力。IN625合金含Nb、Mo等元素，具有优异的抗蠕变性能，但其抗氧化性能在高温下仍有提升空间。LaB₆作为一种稀土化合物，在冶金领域已被证实具有晶粒细化和改善高温性能的潜力，将其应用于等离子堆焊IN625涂层是一个具有创新性的研究方向。

微观组织演变与晶粒细化机理

研究结果表明，LaB₆的添加显著改变了IN625涂层的微观组织。

LaB₆颗粒促进部分柱状晶向等轴晶转变的机理在于：LaB₆颗粒作为异质形核核心，降低了形核功，促进了等轴晶的形核。同时，LaB₆分解产生的La、B等元素与合金中的Ti、O等元素反应，形成细小弥散的La-Ti-O复合氧化物。这些纳米级颗粒在高温下起到阻碍晶粒生长的钉扎作用，有效细化了晶粒。

析出相的增加也是LaB₆添加的重要效果。树枝状的Laves相（如Nb₂Mo、Nb₆Mo₄W等）和La-Ti-O复合氧化物的形成，不仅提高了涂层的硬度，还在高温下提供了额外的强化机制。硬度的提升（从225.7 HV0.3到268.92 HV0.3）直接反映了这些析出相的强化贡献。

高温抗氧化机理深度解析

1000℃高温抗氧化实验是本文的核心验证手段，结果表明LaB₆的添加使氧化常数从(72±4)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)大幅降低到(26±3)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)，降幅超过63%。这一显著的改善源于多重协同机制。

晶粒细化对氧化膜形成质量的改善是抗氧化性能提升的基础。更细小的晶粒意味着更多的晶界，而晶界是Cr原子快速扩散的通道。在氧化初期，更多的Cr通过晶界快速到达氧化界面，形成连续致密的Cr₂O₃保护层。随着氧化进程推进，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的δ-Ni₃Nb层。这一层与氧化膜表面的CrNbO₄共同构成多层次的扩散屏障，有效阻碍了氧离子向内和金属离子向外的扩散。

La-Ti-O复合氧化物在晶界的析出还具有防止氧化层剥落的作用。高温氧化过程中，多种氧化物的形成会产生生长应力，容易导致氧化层开裂和剥落。La-Ti-O颗粒对Ni、Fe和Nb等阳离子外输运的阻碍作用，减缓了氧化物的生长速率，降低了生长应力，从而提高了氧化层的附着力和完整性。

工程应用价值与工艺建议

从工程应用角度看，这篇研究为垃圾焚烧炉换热管的表面防护提供了新的技术路径。LaB₆的添加量为1%（质量分数），平均粒径5μm，这一参数组合在工程上具有可行性。在实际生产中，需要注意以下几点：

1. LaB₆颗粒的均匀分散是关键。颗粒团聚会导致局部成分不均，影响涂层的均匀性。建议在送粉或送丝前进行充分的混合处理。
2. 等离子堆焊的热输入需要精确控制。过高的热输入可能导致LaB₆的过度分解或挥发，降低其细化效果。建议采用脉冲等离子弧或优化扫描参数来控制热输入。
3. 多层堆焊时，层间组织的一致性需要关注。不同层的凝固条件可能不同，需要通过工艺优化确保各层的组织均匀性。

这篇研究体现了"微合金化—组织调控—性能优化"的现代材料设计理念。通过微量添加LaB₆，在保持IN625合金基本性能的同时，大幅提升了其高温抗氧化性能，为高温合金涂层的性能优化提供了新的思路。随着垃圾焚烧炉运行温度的不断提高，这类高性能涂层的研究将具有越来越重要的工程价值。