滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的研究進展

劉春峰 唐先慧 楊巍華 申延智 任敏婷 李斌 劉佩 田能源 許州 方赟

摘要：通過滲鋁工藝在鋼材表面制備Fe-Al涂層，能夠提升鋼材的性能并擴展其使用范圍。本文介紹了Fe-Al涂層的形成機理及性能，并對粉末包埋滲鋁法、熱浸鍍擴散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等不同滲鋁工藝進行了綜述。最后，對滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的研究提出展望。

關鍵詞：Fe-Al涂層;滲鋁工藝;滲鋁鋼;研究現狀

中圖分類號：TG174 ?文獻標識碼：A

隨著全球工業化進程的穩步發展，機械結構對鋼材綜合性能的要求也越來越嚴苛，金屬表面滲鍍技術應運得以興起。鋼材表面滲鋁工藝是金屬表面滲鍍技術的一種，是通過采用不同的技術在鋼材基體表面滲入Al元素，與基體發生合金化反應后獲得Fe-Al涂層的化學熱處理方法[1]。表面滲鋁后獲得的滲鋁鋼不僅具備鋼材基體的力學性能，其表面還表現出優異的耐蝕性、耐磨性和抗高溫氧化性，當前已在石化、冶金、電力、農機及航空航天等領域得到了廣泛的應用，發展前景廣闊[2]。近年來，世界各地針對滲鋁工藝的研究取得了喜人的成果，創造出極高的經濟價值，我國也在20世紀50年代末開展了大量細致性的相關研究，并將研究成果大規模地應用于實際工業生產中，經歷數十載仍經久不衰[3-4]。

結合科技新理念，研發滲鋁工藝的新方法和新技術，提高Fe-Al滲層在特殊工況下的綜合性能。為了更加全面的掌握滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的相關研究成果，本文介紹了Fe-Al涂層的形成機理及性能，綜述了粉末包埋滲鋁法、熱浸鍍擴散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等不同滲鋁工藝的研究現狀，并對該領域的研究提出展望，旨在探索相關規律，為相關領域的研究提供一定的技術借鑒。

1 Fe-Al涂層形成機理分析

Fe-Al涂層歸屬于金屬間化合物層或金屬固溶體層范疇，滲鋁工藝制備的Fe-Al涂層是通過鋼材基體的Fe原子與滲入的Al原子之間相互擴散最終形成合金層來實現的[5]。任何滲鋁工藝最終獲得令人滿意的Fe-Al涂層都需要經歷三個必不可少的過程[6]：（1） 滲劑組分分解：當體系溫度升高到一定程度時，滲劑的各組分之間就會發生一系列的化學反應，產生的反應氣體能夠在極短的時間內覆于鋼材表面，并引發后續的化學反應;（2） 活性原子吸收：豐富的反應產物活性Al原子在鋼材基體表面大量積聚，除了少數的Al原子沿著界面向鋼材基體內部擴散外，更多的活性Al原子繼續參與后續的化合反應并與鋼材基體中的Fe原子相結合，而后在鋼材基體表面生成Fe-Al化合物，該金屬間化合物層或表面固溶體層即為Fe-Al涂層的萌芽狀態。（3）滲層擴散增長：鋼材基體表面及內部的活性Al原子在經過反復的附著和吸收后，滲入鋼材表層的活性Al原子受到高溫熱力學作用會持續地擴散到鋼材內部更深處，與此同時，基體中的Fe原子也將向滲層方向不斷地擴散，這些原子運動的結果就是滲層厚度逐漸增加，最終獲得復合型滲層組織，即Fe-Al涂層。

值得注意的是，原子之間進行擴散始終遵循菲克定律，所獲得的Fe-Al涂層的厚度與擴散過程密切相關。擴散溫度、擴散時間以及活性Al原子的濃度都會在一定程度上對Fe-Al涂層的形成效果產生影響[7]。此外，鋼材基體表面的活性情況以及Al原子的激活效果也是擴散過程中必須要考慮的因素[8]。

2 滲鋁工藝制備Fe-Al涂層的性能

2.1 抗氧化性

滲鋁鋼的抗氧化能力是其表面抗氧化的Fe-Al涂層發揮保護作用的結果，Fe-Al涂層的厚度及涂層中Al元素的含量都會對其抗氧化性產生影響。若Fe-Al涂層疏松多孔不致密，Fe原子和O原子就會在涂層中自由的滲透，則鋼材仍會被這些滲入的原子氧化而影響其后續的使用。因此，優化工藝參數制備具有高密度的Fe-Al涂層是提高涂層抗氧化性的關鍵[9]。由于滲鋁鋼的使用溫度較高，在高溫條件下，Al原子與O原子有很強的結合能力，能夠形成致密的抗氧化層，由此獲得的Fe-Al涂層堆積密度大，無空位等缺陷，阻斷氧氣與鋼材基體的直接接觸，進而有效改善鋼材的抗高溫氧化性[10]。

2.2 耐腐蝕性

滲鋁鋼表面生成的Fe-Al涂層不僅能防止基體被氧化，還能夠阻隔腐蝕介質原子與鋼材基體中的Fe原子相接觸，使其無法發生進一步的化學反應，因此不會有腐蝕性產物生成。此外，在含有礦物燃料的燃燒產物環境中，不僅是燃燒后的反應氣體會對鋼材產生侵蝕作用，更多的是表面硫酸鹽或氯化物等沉積鹽的強腐蝕性，這種因沉積鹽引起的高溫環境下的腐蝕現象被稱為熱腐蝕[11]。滲鋁工藝制備的Fe-Al涂層結合能較高、密度大并且Fe原子很難被轉換，因此在腐蝕性介質中，就只有涂層表面積聚的大量Al原子被腐蝕，Fe-Al涂層能有效阻止腐蝕介質的侵入。較無Fe-Al涂層的一般鋼材而言，滲鋁鋼在CO2、SO2、SO3、H2S、海水及酸堿溶液等介質中的耐腐蝕性更加顯著[12]。

2.3 耐磨性

對鋼材基體表面進行滲鋁工藝處理后，由于Al原子的滲入會在鋼材表面生成Fe-A1金屬間化合物，該金屬間化合物的成分以硬度相當高的Fe2Al5相為主，其硬度可以達到60 HRC左右，該硬度甚至可以與馬氏體鋼材的硬度相媲美，所以滲鋁工藝制備的Fe-A1涂層賦予了滲鋁鋼卓越的耐磨性[13]。

3 Fe-Al涂層滲鋁工藝研究

3.1粉末包埋滲鋁法

粉末包埋滲鋁法制備工藝簡單、成本低、滲層效果好且相間結合力強，是應用最為廣泛的一種滲鋁工藝。粉末包埋滲鋁法是將鋼材包埋于滲鋁劑中，經過Al原子向鋼材內部的擴散進而獲得Fe-Al涂層的方法。參與粉末包埋的滲鋁劑組分包括鋁源、填充劑和活化劑等[14]。鋁源為粉末包埋滲鋁過程提供充足的Al元素，經常被用作鋁源的物質是鋁粉和鐵鋁合金;填充劑在體系中起到高溫加熱防止物相間相互粘結的作用，氧化鋁顆粒和高嶺土粉是最常被使用的填充劑;活化劑在滲鋁反應過程中能夠促進Al原子的滲入，發揮其催滲作用，氯化銨在粉末包埋工藝中常被作為活化劑使用。

為了使活性Al原子在滲鋁過程中表現出更加活躍的狀態，可以在滲鋁劑中加入具有特殊組分的助滲劑。陳輝等[15]在滲鋁劑中加入稀土元素制備Fe-Al涂層，Al原子與稀土元素積聚在N80套管鋼表面的晶體缺陷處，并在稀土元素周圍迅速生成柯氏氣團，Al原子處于柯氏氣團的上端并發生躍遷轉移，加入稀土元素后增加了滲層中活性Al原子的數量，提高了滲鋁效率。Bates等[16]將Cr-Al合金添加到滲鋁劑中，并調控其中Al原子的含量，有效激發了滲入Al原子的活躍程度，制備得到具有Al原子濃度梯度的Fe-Al涂層。此外，機械能輔助法可以獲得納米化的表面組織，從而加速鋼材基體表面Al原子的擴散速率。沈正軍等[17]利用機械能輔助法以Al粉與納米Y2O3粒子的混料作為滲鋁劑，在600℃下獲得Fe-Al-Y2O3納米復合涂層，其中彌散分布的納米Y2O3粒子還起到了釘扎作用，降低了剝落量和氧化增重量，提高了鋼材的抗高溫氧化性。

3.2熱浸鍍擴散滲鋁法

熱浸鍍擴散滲鋁法因其效率高、工業投資少、滲層質量優和技術成熟等優點得以廣泛應用。熱浸鍍擴散滲鋁法是將鋼材浸入到處于熔融態的鋁液中，恒溫保持一段時間后通過熱擴散作用改變鋼材表面的化學組成，形成Fe-Al合金層的方法。熱浸鍍過程中，固態Fe與液態Al之間經過相互吸附、漫流、浸潤和溶解，發生一系列的化學作用及物理擴散。熱浸鍍擴散滲鋁法制備獲得的Fe-Al涂層具有優異的抗高溫氧化性和耐腐蝕性[18]。

不僅鋼材基體與鋁液的成分及配比，都會對Fe-Al涂層的形成速度、微觀結構和性能起到決定性作用，熱浸鍍溫度和熱浸鍍時間等工藝參數也會對形成Fe-Al的厚度及組織結構產生影響。Zhao等[19]采用不同的熱浸鍍溫度在H13鋼表面進行滲鋁，基體上存在較多晶格間隙有利于高溫下Al原子的快速滲入。鋼材基體上Fe-Al涂層的厚度隨熱浸鍍時間和溫度的增加而增加，而Al層的厚度則隨著熱浸漬溫度的升高而減小。Jeshvaghani[20]等在800℃對9Cr-1Mo鋼熱浸滲鋁時發現，Fe-Al涂層與熱浸鍍時間服從菲克定律，隨著熱浸鍍時間的增加，Fe-Al涂層的厚度也會相應地增加。除了工藝條件的影響外，在體系中加入一定含量的添加劑也會對Fe-Al涂層的組織和性能的改善發揮作用。孫偉[21]等在進行45鋼熱浸鍍鋁時在滲鋁劑中加入了稀土元素，制備的Fe-Al涂層主要表現為內部為合金層和外部為純Al層的雙層結構，且Fe-Al涂層與鋼材基體的結合界面處呈現出鋸齒狀，加入稀土元素后的鋼材耐蝕性得到顯著的改善。

3.3噴涂滲鋁法

噴涂滲鋁法設備簡單、工藝易掌握、生產率高且對工件的形狀沒有過高要求。噴涂滲鋁法是采用噴涂的方式使Al原子附著于工件表面，然后通過熱擴散過程在工件表面形成牢固的Fe-Al合金層。噴涂滲鋁法的工藝過程包括工件表面處理、噴涂鋁層、鋁層的封閉處理和擴散退火等，先后在鋼材基體表面形成噴涂結合層和噴涂工作層。根據噴涂滲鋁溫度的不同，可將噴涂滲鋁法分為熱噴涂和冷噴涂兩種[22]。與前述粉末包埋法和熱浸鍍法相比，該方法制備的Fe-Al涂層硬度不足，與基體的結合強度較差。

噴涂技術對設備和技術的要求較高，研發新型的噴涂工藝成為技術攻關的重點。Diamantogiannis等[23]通過火焰噴涂工藝在雙相鋼表面制備了Fe-Al涂層。由于涂層的保護作用，腐蝕環境下鋼材很好的保持了其力學性能以及結構的完整。Esfahani等[24]采用電弧噴涂技術在鋼材表面制備Fe-Al涂層，隨著退火溫度的升高，涂層的表面變得更加致密，Fe-Al涂層的厚度也顯著增加，鋼材的耐腐蝕性能得到有效改善。相對于火焰噴涂和電弧噴涂等熱噴涂工藝而言，采用冷噴涂工藝制備的Fe-Al涂層密度更高、硬度更大且結合強度更好。Silva等[25]利用冷噴涂工藝在碳鋼表面成功獲得了300 μm以上厚度且低孔隙率的Fe-Al涂層，該涂層的結合強度最高可達到30 MPa，表現出優異的耐腐蝕性能。

3.4氣相滲鋁法

氣相滲鋁法是一種無接觸式的擴散滲鋁方法。與粉末包埋滲鋁法類似，氣相滲鋁的滲鋁劑也包含鋁源、填充劑和活化劑等組分。不同的是，滲鋁過程中，鋼材與滲鋁劑之間并沒有直接的接觸，而是加熱到一定溫度時，在活化劑作用下滲鋁劑中析出活性Al原子，并通過氬氣載體輸運到鋼材表面，再以沉積、擴散和吸收等過程滲入鋼材表層，同時伴隨著溶質元素鹵化物的氣相擴散與基體中的固相擴散，進而形成Fe-Al涂層[26]。

黃錦陽等[27]以P92鋼為基體，采用化學氣相滲鋁法制備Fe-Al涂層，760℃相對低溫下獲得的涂層為單層結構，基體近表處形成約12 μm厚度的Al原子富集層，其主要成分為Fe3Al 和富鋁化合物。Perez等[28]采用流化床氣相滲鋁法在304不銹鋼表面制備了Fe-Al涂層，525℃恒定溫度下，涂層厚度隨加熱時間的增加而增加，該滲鋁工藝加熱溫度低且用時短。

4 結語與展望

采用滲鋁工藝在鋼材表面制備Fe-Al涂層，能夠有效改善鋼材基體的抗氧化性、耐腐蝕性和耐磨性等，滲鋁鋼材已在石化、冶金、電力、農機及航空航天等領域得以廣泛應用。制備Fe-Al涂層最常用的滲鋁工藝有粉末包埋滲鋁法、熱浸擴散滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等。目前，針對滲鋁工藝已展開了深入的研究，并已開發出多種技術先進的新型滲鋁工藝。該領域今后還會在改進已有工藝的基礎上向著低成本、低能耗的方向繼續發展，以期更加適應時下的工業應用。

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