摘要：在碳鋼表面制備鋁涂層，可以有效提升碳鋼的硬度、抗高溫氧化性和耐腐蝕性等。目前，熱噴涂滲鋁被廣泛使用在化工、冶金、電力、石油等行業。介紹了熱噴涂滲鋁的工藝，分析了熱噴涂滲鋁的機理，綜述了碳鋼工件熱噴涂滲鋁后的性能，最后對熱噴涂滲鋁工藝的發展趨勢進行了探討和展望。

　　關鍵詞：碳鋼;氧化性;耐腐蝕性;熱噴涂滲鋁

　　據不完全統計,由于碳鋼工件表面磨損、侵蝕、防護問題等導致機械零部件功能失效，每年我國因此造成的鋼材消耗在100t以上[1]，且損失可達國民生產總值的10%。所以，為防止碳鋼工件表面在高溫高壓等惡劣環境下被損壞，就需要提升工件的可靠性，人們對此開始進行科學研究。

　　研究發現，鋁可以改善碳的磨損及疲勞的程度，且鋁以及鋁合金成本低廉，而碳鋼在滲鋁后，具有優良的耐腐蝕、抗高溫氧化、耐磨損等優良性能[2-3]。所以，對鋼件進行滲鋁成為了現代工業普遍應用的技術，并廣泛被使用在化工、冶金、電力、石油等行業。滲鋁是使用熱處理的方法向金屬工件表層滲入金屬鋁原子并形成防護涂層的一種工業技術，且使用滲鋁技術在鋼材表層覆蓋鐵鋁合金具有優良的防護效果。

　　金屬工業論文：熱鍍鋁鋅后處理膜類型及成膜工藝控制技術

　　20世紀30年代，國外開始出現滲鋁技術，滲鋁鋼的工藝研究以及工業應用在美國、日本、俄羅斯等工業發達國家得到迅速發展，我國則在20世紀50年代末開始滲鋁技術的研究與應用[4-5]。常見的滲鋁方法較多，主要有固體粉末包埋滲鋁法、熱浸滲鋁法、噴涂滲鋁法和氣相滲鋁法等[6-7]。其中，固體粉末包埋滲鋁法粉塵污染環境，勞動強度大，生產效率低[8-9];熱浸滲鋁法工藝技術難度較大且較難控制，助鍍液穩定性較差，容易造成滲漏[10-11];氣相滲鋁法技術設備復雜，處理溫度高，容易使工件變畸形[12]。

　　相比熱噴涂滲鋁法工藝簡潔，涂層厚度容易控制，可以在大面積現場施工，生產效率高，成本低，因此，熱噴涂技術在近20年得到迅速發展，熱噴涂技術在航空航天、鋼鐵等領域已經被廣泛應用，現有熱噴涂技術十幾種[13]，其中燃氣法噴涂(如火焰噴涂)和氣體放電法噴涂(如電弧噴涂)最為常見[14-15]。

　　雖然熱噴涂滲鋁技術在中國發展趨勢較好，但是與其他工業發達國家相比仍有較大差距，技術上還有較多不足之處，亟需進行技術研究與再開發。本文綜述了熱噴涂法對鋼材表面的滲鋁工藝和機理，列舉了碳鋼工件在熱噴涂滲鋁后的物理和化學性能，并對熱噴涂滲鋁技術的研究提出了展望。熱噴涂滲鋁工藝研究熱噴涂法與其他滲鋁法相比具有以下優勢：

　　使用熱噴涂法滲鋁厚度較易控制，工件涂層的厚度可以從十幾微米甚至到近20mm[16];通常不受施工場所的限制，也不受工件尺寸大小的限制，對工件整體表面或限定的部分表面都可以進行操作;制造工件的基體可以使用普通材料替代貴重材料，從而顯著降低成本。因此，熱噴涂技術成為許多工廠優先選擇實用的滲鋁方法。碳鋼工件熱噴涂滲鋁工藝過程主要為：預處理(工件表面凈化→表面預加工→表面粗化)→噴涂(噴涂底層→噴涂工作層)→噴涂后處理(加熱-擴散退化-表面處理)。碳鋼工件的基體與熱噴涂涂層是以互相鑲嵌的機械方式[17]存在，噴涂涂層與工件的結合強度取決于工件的表面準備狀態。首先要進行除油、除銹。

　　除油可以用有機溶液例如丙酮來進行清洗工件表面，再用清水沖洗2～3min，確保清洗干凈;除銹可以使用鹽酸水溶液進行清洗，在常溫狀態下需要清洗1～2min，清洗時間也可以根據工件表面腐蝕程度適當延長。經過除油、除銹處理后必須要保證工件干凈且無雜物無其他污染物，這是為下一步噴砂粗化做準備。噴砂是預處理中非常重要的工序之一，需要根據工件表面質量要求實施操作。

　　用噴料(銅礦砂、石英砂等)將工件外表面進行處理，由 于噴料的摩擦和切削，工件表面會產生一定程度的變形和不平整。噴砂的操作對于后期噴涂鋁涂層起著關鍵作用，不平整的表面在噴涂鋁涂料后更利于涂料的流平，且鋁涂層與工件表層之間會有更強的附著力。

　　工件通過噴砂處理可以徹底去除工件表面的殘留污染物，表面變得粗糙不平是為了給熱噴涂涂層提供良好的沉積表面，而且能有效阻止在熱噴涂過程中發生的工件表面預冷瞬間收縮和工件基體之間界面滑移的問題，從而來提高涂層的結合強度，降低碳鋼工件發生應力腐蝕的危險。表面預處理后碳鋼工件表面通常呈銀白色金屬光澤，之后才可以進入下一個工藝步驟。熱噴涂滲鋁一般常采用火焰噴涂、電弧噴涂，下面就這兩種噴涂的工藝過程作簡單的闡述。

　　火焰噴涂過程：以火焰為熱源，把金屬鋁融化成熔滴，通過高溫或高速氣流將熔滴霧化，最后將霧化后的熔融粒子高速噴射到鋼件基體上形成鋁涂層[18-20]。在火焰噴涂過程中送鋁絲速度要把握適當，太快金屬鋁還沒有完全融化易造成材料浪費，太慢會產生鋁液飛濺既浪費材料又消耗能源。

　　同時要注意，噴涂時的噴槍口與鋼件軸線要成直角，噴槍口與鋼件距離不要太近[21]。電弧噴涂過程：在兩根金屬鋁絲上接入20～38V的直流電壓，金屬鋁絲帶有不同的極性且彼此絕緣，然后將兩根鋁絲同時帶入送絲機構中，再與噴槍口的兩個金屬絲接觸引燃產生電弧，電弧將金屬鋁絲尖端融化成高溫顆粒，最后將高溫顆粒通過霧化快速的噴射到鋼件上形成涂層。

　　電弧噴涂過程中，通常在噴鋁時空載電壓應該調節到30～32V，電流調節到180～200A，在送絲過程中要注意維護送絲軟管[22-23]，不要使軟管有過大壓力或過分彎曲。在熱噴涂滲鋁過程中經過熔融，鋁層瞬間融化成液態，此時在工件界面處與基體會發生強烈的熱擴散，等到與工件基體形成冶金涂層后就要進行熱擴散處理。

　　取出噴涂后的工件，等它冷卻到與室內溫度差不多時放入800～1000℃的恒溫爐里，需要在爐子里保溫3～4h，在此期間，鋁原子進入碳鋼工件基體內部擴散，以此來得到更深的滲層，擴散退熱完成至冷卻后就要對滲鋁后的工件進行最后的表面處理。

　　碳鋼工件熱擴散后表面會有些許粗糙，需要使用磨砂打磨至平滑;同時，熱噴涂滲鋁后的工件會產生一些氣孔，且發生率為3%～5%，所以，必須要對工件表面涂層進行密封以及采取一些保護措施。選用保護工件涂層的涂料也是非常重要的，要注意選用能防止空氣進入氣孔縫隙使鋼件產生氧化且保護層不會與碳鋼、鋁產生化學反應的保護涂料，一般可以選用硼砂飽和溶液、水玻璃等涂料。對工件表面進行封閉處理后，可以有效防止工件氧化，保證良好的滲鋁質量。

　　2熱噴涂滲鋁機理分析

　　碳鋼工件表面熱噴涂滲鋁主要分為兩個階段：熱源把鋁塊加熱熔化，使鋁塊變成熔滴，然后對熔滴進行再加熱并推動其霧化成理想的熔融粒子，之后熔融粒子在高溫高壓的狀態下飛速撞擊到工件基體表層，隨著熔融粒子的不斷撞擊最終工件基體表層會附著一層鋁液，這個過程為第一階段。

　　經過第一階段后，附著在工件基體表層上的鋁液的外層會與空氣中的氧氣發生化學反應形成Al2O3，該氧化物是涂層表面最主要的組成相，而直接與工件表層接觸的鋁液會向基體中擴散，且基體中的鐵原子也會同時向鋁液中擴散即形成互擴散現象。在擴散初期，主要是在滲層中產生以針狀形態散分布的不穩定的Fe-Al金屬間化合物。

　　隨著擴散的發生，滲層處逐漸形成穩定的Fe-Al金屬間化合物，最終形成涂層[24]。在對碳鋼進行熱噴涂滲鋁時，形成穩定Fe-Al金屬間化合物的速度和鋁液的純度會對碳鋼滲鋁后的性能產生重大影響。因此，為快速形成性能優越的涂層，就要確保鋁鐵互擴散時的速度很快且滲鋁的鋁液比較純潔。就一般的滲鋁技術而言，由于其處理溫度高會導致鋼材基體完全奧氏體化，冷卻后鋼材基體組織會發生重結晶，使得鋼材基體心部晶粒強烈粗化，帶來鋼材原有力學性能的損失，降低碳鋼的使用壽命[25]。

　　除此之外，一般滲鋁鋁液容易受到污染，容易導致涂層與基體的結合強度、涂層的硬度、抗高溫氧化性、耐腐蝕性及耐磨損性等性能變差，因此，如何在不降低碳鋼原有的力學性能基礎上提高涂層與基體的結合強度、涂層的硬度、抗高溫氧化性、耐腐蝕性及耐磨損性等成了碳鋼滲鋁技術的關鍵問題。研究發現，熱噴涂滲鋁技術在不改變碳鋼原有力學性能的同時會顯著提升涂層與基體的結合強度，提高涂層的硬度、抗高溫氧化性、耐腐蝕性及耐磨損性。

　　3碳鋼工件熱噴涂滲鋁后的性能

　　3.1涂層與基體的結合強度

　　熱噴涂涂層與工件基體的結合是通過熔融和半熔融粒子與工件基體粗糙的表面產生相互咬合而形成的機械結合，其結合強度是熱噴涂滲鋁涂層的一個非常重要指標。從現有的研究發現，經熱噴涂滲鋁加工處理后，碳鋼工件的涂層與基體表面的結合強度有明顯提高。王強等[26-27]通過滲鋁試樣的鐵鋁二元相圖分析得出，熱噴涂滲鋁時有殘余熱量的熔融粒子與鐵鋁金屬間化合物在較低溫度環境下產生相變，之后在擴散處理時又產生了更多的相變。這些相變導致在熱噴涂滲鋁過程中產生了大量的金屬間化合物，滲鋁后的碳鋼工件，表層上的鋁元素與碳鋼內的金屬元素發生擴散反應，鋁元素滲入工件內部產生化學反應，使得鋁涂層與工件緊密結合。

　　但是，滲鋁時間要控制得當，時間過長在涂層界面會產生大量的鐵鋁化合物，會對結合強度產生不良影響。Wang等[28-29]通過熱噴涂粒子撞擊基體實驗，對噴涂粒子鋪展凝固形貌進行分析發現，基體的預熱溫度從200℃提高到900℃時，鋼材表面的氧化層厚度從8nm提高到100～200nm，此時氧化層有效的降低了熔粒的凝固速率，利于熔粒的鋪展，從而增加噴涂涂層與基體的結合強度。

　　3.2硬度

　　滲鋁涂層的硬度與噴涂的設備、工藝流程等有關，涂層要達到理想硬度就必須準備充足并使用適當的滲鋁技術。

　　胡寧等[30]用火焰噴涂制備鋁涂層，通過顯微儀對滲層硬度曲線分析發現，硬度值先隨著滲層厚度增加而增大，最高值達到950HV左右，滲層深度到450μm時，硬度值開始下降。經過熱噴涂滲鋁的鋼件表面涂層硬度并不是最高，亞表面的硬度更高些，最底層的硬度較平緩。在工業鋼材應用上，涂層并不是最硬才最好，表層硬度越高脆性反而越大，涂層容易在使用過程中出現因摩擦造成的裂痕甚至剝落，而滲鋁后的涂層表面稍軟且有一定的濕潤度，摩擦時不會因為脆性而直接破裂，亞表層的硬度較高，有效的阻擋了摩擦產生的損害。

　　王群[31]在使用熱噴涂滲鋁得到試樣工件后，對其涂層進行硬度測試發現，滲鋁過程中涂層內部不斷產生擴散現象，隨著擴散的深入，靠近基體的鋁資源不斷減少且供應不足，產生的鐵鋁金屬化合物也相應減少。因此，滲鋁后試樣工件的涂層硬度遠大于工件基體的硬度，滲層的硬度基本穩定在600～700HV，而到滲層的最底層時，硬度開始逐漸變小并趨于平緩。

　　3.3抗高溫氧化性

　　工件涂層里的孔隙和裂紋較多時，高溫氣體則會流入涂層結合面產生腐蝕直至涂層剝落;涂層的污雜物較多時，會在污雜物處形成點蝕并擴大侵蝕面使涂層剝落;涂層結合強度較弱，在高溫熱循環過程中涂層較易剝落，所以提高工件抗高溫耐氧化性非常重要。魏琪等[32]利用電弧噴涂制備鋁涂層，并通過實驗對比研究鋁基涂層、鐵鋁涂層和45CT涂層的抗高溫氧化性，結果表明電弧噴涂的鋁涂層在650℃高溫下任具有良好的抗高溫氧化性。

　　李德元等[33-34]采用電弧噴涂方法在Q235碳鋼基體上滲鋁，并對不同試樣的氧化動力曲線分析得出，滲鋁涂層經過加熱擴散處理后，其抗高溫氧化性能是未滲鋁碳鋼的10倍。在熱噴涂滲鋁過程中，鋁的遷移速度遠遠高于其它元素，鋁擴散到邊界與氧形成氧化鋁膜，氧化鋁可以有效阻止金屬原子與氧原子的擴散，使涂層的氧化速度降低。另外，涂層孔隙率低，有效的阻擋了氧氣的擴散通道，氧化物的生成速度大大降低，從而幾乎可以使涂層氧化速度達到完全抗氧化水平。

　　3.4耐腐蝕性

　　碳鋼在淡水、大氣和土壤等介質中也易被腐蝕，而且鋼材是工業上常用的工件。目前，根據在鋼構件上的應用發現，經過熱噴涂滲鋁技術可以很好處理鋼材腐蝕問題，不僅有效而且經濟實惠。周潘虎等[35]采用超音速電弧噴涂在Q235B鋼表面噴涂鋁涂層，并使用掃描電子顯微鏡分析鋁涂層在腐蝕前后的組織形貌，實驗模擬儲罐實際工況，把滲鋁鋼材浸泡在水/氣界面，結果發現涂層與基體緊密結合，孔隙率為5.4%，噴涂涂層的典型特征未被破壞，涂層沒有明顯腐蝕狀態，所以噴涂鋁涂層可以顯著提高鋼材的耐腐蝕性。

　　任春領等[36]在600℃下對電弧噴涂鋁涂層、鐵鋁涂層和A304不銹鋼的耐硫化氫腐蝕性能進行對比研究發現，電弧噴涂鋁涂層的鋁含量高，可以快速形成金屬間化合物并有效地阻止硫原子進入基體內。因此，電弧噴涂鋁涂層耐硫化氫腐蝕性明顯優于鐵鋁涂層和A304不銹鋼。直妍等[37-38]使用電弧噴涂技術在Q235鋼板噴涂厚度約為200μm的鋁涂層,并用聚氨酯清漆對涂層進行封孔處理。

　　通過金相組織分析試驗、電化學測試以及中性鹽霧試驗研究了涂層的耐蝕性。結果表明：噴涂涂層和基體結合情況良好，通過封孔處理，涂層的腐蝕速度明顯下降，對鋁涂層進行120h的中性鹽零試驗,也未發現明顯腐蝕痕跡，總體上噴涂鋁涂層后鋼材耐腐性明顯提高。熱噴涂滲鋁對碳鋼工件的耐蝕性有顯著提升的效果，經過高溫加熱熔融的鋁在霧化噴射的過程中在涂層表面會形成一層極其緊密的氧化鋁薄膜。氧化鋁薄膜有效地阻隔了氧氣與碳鋼工件基體的接觸，起到了很好的屏蔽作用，從而使涂層在任何條件下都不易被腐蝕。

　　3.5耐磨損性

　　影響金屬磨損性能的主要有三個因素：環境影響包括空氣土壤介質，溫度等;材料影響包括材料力學性能、內部組織結構等;力學影響包括載荷、滑動速度與距離等。鄧代玉[39]通過對未滲鋁鋼件和滲鋁鋼件進行磨損測試對比得出：滲鋁鋼件比未滲鋁鋼件的磨痕寬度、磨損深度都要小，滲鋁鋼件的摩擦系數一直趨于平穩，而未滲鋁鋼件隨摩擦過程的進行， 摩擦系數一直連續但不平緩，所以滲鋁后鋼件的耐磨性明顯提高。

　　經過熱噴涂滲鋁的鋼件會產生增強耐磨性能效果的鐵鋁間金屬化合物，而且滲鋁后鋼件的硬度增強可有效抵抗塑性變形進一步提高其耐磨性。熱噴涂滲鋁后涂層上會出現一些細小的縫隙，噴涂時產生的氧化鋁隨著氣流流入縫隙并形成保護薄膜，而保護薄膜又以不同的形態保存在涂層組織內。所以，即使滲鋁鋼件的宏觀硬度不是很高,但是卻仍然具有很好的耐磨性。

　　4結語與展望

　　(1)加強熱噴涂滲鋁過程中的工藝機理研究，已知的噴涂工藝大概有十幾種，常見的有火焰噴涂、電弧噴涂及電離子噴涂等，它們被應用于不同的領域。通過熱噴涂滲鋁的工藝過程及機理研究，開發出功能更強的熱噴涂滲鋁工藝。(2)深入研究涂層結合強度、硬度、抗高溫氧化性、耐蝕性、耐磨性等性能與熱噴涂滲鋁工藝之間的關系，通過對這方面的研究，為涂層性能的提升提供可靠的理論基礎。(3)加強自動化熱噴涂滲鋁技術的研究，現有的熱噴涂滲鋁工藝還是以人工為主，機械為輔的狀態，很難實現大規模化的應用，所以應該研究自動化熱噴涂滲鋁技術，開發新型噴涂工藝設備。

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　　作者：崔浩威