钢上双丝堆焊Fe-Al层的工艺试验研究(3)

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Fe3Al 25 有序体心方 250~350 6.67

FeAl 50 有序体心方 400~520 5.53

FeAl3 66~67 复杂斜方 1000~1050 4.36

Fe2Al5 69.7~73.2 正斜体心方 1000~1100 4.11

Fe2Al7 74~76 单斜体心方 820~980 3.95

Fe-Al金属间化合物弹性模量较大，熔点较高，密度较小，尤其是Fe3Al、FeAl室温强度、延伸度和600℃以下的高温强度已经和某些碳钢、不锈钢、低合金钢的机械性能相当。Fe-Al金属间化合物具有抗高温氧化性能和耐蚀性能及耐磨性。若在钢基体表面形成Fe-Al合金层，则新形成的双金属材料既具有钢铁材料优越的机械性能，又具有Fe-Al金属间化合物优异的抗氧化性、耐磨性和较高的高温强度，从而提高了钢铁材料的使用寿命[2]。然而，堆焊Fe-Al金属间化合物成分不均匀，堆焊层容易产生裂纹，很大程度上降低了其性能，限制了其应用和发展。

1.2.3 Fe-Al合金层的制备方法和局限性

近年来，用表面技术制备Fe-Al合金层越来越受到广大学者的关注。若在钢基体表面制备Fe-Al合金层，这样形成的双金属不仅具备了钢铁材料优异的机械性能，又具备Fe-Al金属间化合物优异的抗氧化和耐磨性。在提高钢材的使用寿命的同时，又避开了Fe-Al金属间化合物难以加工的缺陷，对Fe-Al金属间化合物的推广应用具有重要的现实意义。

1.2.3.1 高速电弧喷涂技术

高速电弧喷涂(High Velocity ArcSpray，简称HVAS )是90年代研制成功的新型热喷涂技术，其原理是利用气体动力学，将高压空气或高温燃气通过喷嘴加速后，作为电弧喷涂的高速雾化气流来雾化和熔融喷涂物，将雾化粒子高速喷射到工件表面形成致密涂层[3]。徐滨士等研究了高速电弧喷涂铁铝涂层的组织和性能。涂层致密度高，密度低，具有较高的结合强度和显微硬度。作者探讨了增强相对Fe-Al涂层性能的影响，作者发现HVAS Fe-Al/Cr3C2涂层具有比Fe-Al/WC涂层更好的耐冲蚀性和耐高温腐蚀性，作者认为Cr3C2增强相具有比WC更好的耐高温腐蚀性能；由于C、Cr元素在磨槽的富积以及常温下涂层较高的结合能，提高了HVAS Fe-Al/Cr3C2涂层常温耐磨损性能[4-6]。高云鹏、刘晓明等利用电弧喷涂技术在20钢表面制备Fe-Al/Cr3C2RE复合涂层，并在650℃下进行涂盐热腐蚀试验。研究发现，Fe-Al/Cr3C2RE复合涂层在650℃时的涂盐抗热腐蚀性能明显优于20钢，Cr元素的质量分数在30%以上时，能在涂层表面形成致密的Cr2O3膜；而CeO2的加入提高了喷涂过程中熔滴的表面活性，有净化涂层的作用[7]。

但是采用高速电弧喷涂技术所制备的Fe-Al涂层时，由于两种材料力学性能不匹配，涂层与基体有明显的界面，存在结合不良的问题。

1.2.3.2 激光熔敷技术

利用具有高能密度的激光束使某种特殊性能的材料熔覆在基体材料表面与基体相互熔合，形成与基体成分和性能完全不同的合金熔覆层。激光熔覆的作用不仅仅是提高材料表面的性能，而且赋予它新的性能，并降低制造成本和能耗，节约有限的战略金属元素[8]。 W.Mroz等[9]采用激光熔覆技术在钢铁基材表面成功合成Fe-Al金属间化合物。程广萍、何宜柱[10]分别用纯Fe3A1粉和铁基合金粉+铝粉为原料，用激光熔覆工艺制备Fe-Al合金层。熔覆Fe3A1工艺可以获得的Fe3A1金属间化合物覆盖层与基体之间的冶金结合良好。而利用铁基自熔性合金粉与铝粉混合配比，通过激光熔敷反应合成工艺，也可以获得与基体良好冶金结合的Fe-Al合金层。王爱华、谢长生、聂继红[11]研究了铝合金表面激光熔覆Fe-Al青铜层的组织结构，发现激光熔覆Fe-Al青铜合金层的组织结构为：孪晶α-Cu+颗粒状(Cu、Fe、 Si)9Al4+少量的Cu3Al。