Metall. Mater. Trans. A: 耐熱鋼表面Stellite合金涂層失效機制

【引言】

表面涂層是提高鋼的耐高溫性、耐磨性、耐腐蝕性的有效方法之一，由表面涂層形成的表面硬化層可以防止基材磨損和氧化。Stellite合金因具有以上優異的特性，常用作蒸汽輪機及其組件的表面硬化材料。在服役過程中，Stellite合金涂層表現出優異的性能，在873 K（600℃）具有較長的疲勞壽命；然而在873K（600℃）以上服役時性能較差，失效機制尚不明確。

【成果簡介】

近日，上海交通大學何國教授（通訊作者）團隊在Metall. Mater. Trans. A上發表了一篇題為“Failure Mechanism of a Stellite Coating on Heat-Resistant Steel”的文章。在該文章中研究人員提出了耐熱鋼Stellite合金涂層在高溫條件下長期服役的失效機制。該研究團隊通過氣體保護金屬極電弧焊（SMAW），在耐熱鋼X12CrMoWVNbN10-1-1（COSTE鋼）基材上制備了Stellite21涂層。與失效樣品（取自汽輪機檢修閥長期高溫工作條件下破碎的Stellite 21 / COSTE鋼）進行比較，通過顯微組織分析以及性能測試，發現α’/σ共析組織的脆性導致Stellite 21涂層發生沿晶斷裂。

【圖文解讀】

表一 COSTE鋼和Stellite21的化學成分（質量分數）

圖一 沉積樣品Stellite 21 / COSTE界面區的微觀結構

(a) 光學顯微鏡下的固溶組織形貌

(b) 界面處的SEM圖像

(c) （a）中遠離界面處的枝晶組織放大圖

(d) 界面附近涂層的XRD圖像；插圖顯示界面附近涂層的I vs 2q圖（同步輻射XRD實驗結果）

圖二 失效樣品Stellite 21 / COSTE界面區的微觀結構

(a, b) 斷口涂層形貌

(c) P1區域顯微組織

(d) P2區域顯微組織

(e) P4區域顯微組織

(f) P5區域顯微組織

(g) P3區域顯微組織

(h) 涂層斷口XRD圖像；插圖為涂層斷口I vs 2q圖（同步輻射XRD實驗結果）

圖三 表面浮凸相分析

(a) 表面浮凸相的EDS線掃描位置

(b) 線掃位置處鈷、鐵、鉻、鉬和碳的濃度分布

圖四 斷口EDS線掃及元素濃度分布

(a) Stellite 21涂層側

(b) COSTE鋼基體側

圖五 Stellite 21 / COSTE界面區硬度變化

(a) 維氏硬度測試位置

(b) 硬度變化曲線

圖六 失效樣品斷口處Stellite涂層形貌

(a)斷口處的宏觀形貌

(b)斷口沿晶斷裂模式

圖七 耐熱Stellite 21涂層失效機理圖示

圖為Stellite 21 / COSTE鋼在高溫條件下長期工作疲勞斷裂機理

【小結】

本文研究表明，在電弧沉積期間，COSTE基體表面的Stellite 21涂層被顯著稀釋，在熔合線區域約1mm厚的層中，Fe濃度達到了~30% at.%。所制備的含高(Fe, Cr) Co基涂層主要由過飽和面心立方相 α-Co(Fe, Cr, Mo)固溶體和少量碳化物Cr(Mo)₂₃C₆組成。工作溫度約為873 K（600℃）時，COSTE基體中Fe連續擴散到Stellite 21涂層，α-Co(Fe, Cr, Mo)固溶體優先緩慢分解為不規則共析組織，即簡單立方相α’-FeCo(Cr, Mo)和四方相σ-CrCo(Fe, Mo)。α’/σ共析組織的脆性導致了Stellite 21涂層的疲勞斷裂。

文獻鏈接：Failure Mechanism of a Stellite Coating on Heat-Resistant Steel(Metall. Mater. Trans. A, 05 July, 2017, DOI: 10. 1007/ s11661- 017- 4181- z)

本文由材料人編輯部陳炳旭編譯，萬鑫浩審核，點我加入材料人編輯部。

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