Metall. Mater. Trans. A: 耐热钢表面Stellite合金涂层失效机制

【引言】

表面涂层是提高钢的耐高温性、耐磨性、耐腐蚀性的有效方法之一，由表面涂层形成的表面硬化层可以防止基材磨损和氧化。Stellite合金因具有以上优异的特性，常用作蒸汽轮机及其组件的表面硬化材料。在服役过程中，Stellite合金涂层表现出优异的性能，在873 K（600℃）具有较长的疲劳寿命；然而在873K（600℃）以上服役时性能较差，失效机制尚不明确。

【成果简介】

近日，上海交通大学何国教授（通讯作者）团队在Metall. Mater. Trans. A上发表了一篇题为“Failure Mechanism of a Stellite Coating on Heat-Resistant Steel”的文章。在该文章中研究人员提出了耐热钢Stellite合金涂层在高温条件下长期服役的失效机制。该研究团队通过气体保护金属极电弧焊（SMAW），在耐热钢X12CrMoWVNbN10-1-1（COSTE钢）基材上制备了Stellite21涂层。与失效样品（取自汽轮机检修阀长期高温工作条件下破碎的Stellite 21 / COSTE钢）进行比较，通过显微组织分析以及性能测试，发现α’/σ共析组织的脆性导致Stellite 21涂层发生沿晶断裂。

【图文解读】

表一 COSTE钢和Stellite21的化学成分（质量分数）

图一 沉积样品Stellite 21 / COSTE界面区的微观结构

(a) 光学显微镜下的固溶组织形貌

(b) 界面处的SEM图像

(c) （a）中远离界面处的枝晶组织放大图

(d) 界面附近涂层的XRD图像；插图显示界面附近涂层的I vs 2q图（同步辐射XRD实验结果）

图二 失效样品Stellite 21 / COSTE界面区的微观结构

(a, b) 断口涂层形貌

(c) P1区域显微组织

(d) P2区域显微组织

(e) P4区域显微组织

(f) P5区域显微组织

(g) P3区域显微组织

(h) 涂层断口XRD图像；插图为涂层断口I vs 2q图（同步辐射XRD实验结果）

图三 表面浮凸相分析

(a) 表面浮凸相的EDS线扫描位置

(b) 线扫位置处钴、铁、铬、钼和碳的浓度分布

图四 断口EDS线扫及元素浓度分布

(a) Stellite 21涂层侧

(b) COSTE钢基体侧

图五 Stellite 21 / COSTE界面区硬度变化

(a) 维氏硬度测试位置

(b) 硬度变化曲线

图六 失效样品断口处Stellite涂层形貌

(a)断口处的宏观形貌

(b)断口沿晶断裂模式

图七 耐热Stellite 21涂层失效机理图示

图为Stellite 21 / COSTE钢在高温条件下长期工作疲劳断裂机理

【小结】

本文研究表明，在电弧沉积期间，COSTE基体表面的Stellite 21涂层被显著稀释，在熔合线区域约1mm厚的层中，Fe浓度达到了~30% at.%。所制备的含高(Fe, Cr) Co基涂层主要由过饱和面心立方相 α-Co(Fe, Cr, Mo)固溶体和少量碳化物Cr(Mo)₂₃C₆组成。工作温度约为873 K（600℃）时，COSTE基体中Fe连续扩散到Stellite 21涂层，α-Co(Fe, Cr, Mo)固溶体优先缓慢分解为不规则共析组织，即简单立方相α’-FeCo(Cr, Mo)和四方相σ-CrCo(Fe, Mo)。α’/σ共析组织的脆性导致了Stellite 21涂层的疲劳断裂。

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

本文由材料人编辑部陈炳旭编译，万鑫浩审核，点我加入材料人编辑部。

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