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Ivs2q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Ivs2q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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