TiC和Al?O?添加对激光熔覆制备的FeCrAl涂层耐热腐蚀性能的影响

《Journal of Allergy and Hypersensitivity Diseases》：Effects of TiC and Al 2O 3 additions on the hot corrosion resistance of FeCrAl coatings fabricated by laser cladding

针对FeCrAl涂层在氯化物熔盐中因长期暴露导致的保护氧化膜失效问题，采用激光熔覆技术制备了含20%、40% Al?O?和TiC的复合涂层，在650℃、50% NaCl+50% KCl熔盐中系统研究其高温腐蚀行为。结果表明，20% Al?O?和TiC涂层分别使腐蚀速率降低32.7%和42.5%，其保护机制源于陶瓷颗粒对熔盐渗透的物理阻挡及促进Al或Ti的氧化反应，但40%添加量时颗粒堆积导致界面缺陷，腐蚀速率回升。

　　
在高温极端环境应用中，金属基复合涂层的耐腐蚀性能优化始终是材料科学领域的重点研究方向。本研究聚焦于氯化熔盐腐蚀环境下FeCrAl涂层的性能提升，通过引入TiC和Al?O?陶瓷颗粒构建复合涂层，系统揭示了不同强化相对涂层防护机制的影响规律。研究采用激光熔覆技术制备了两种梯度复合涂层，并针对其界面反应、相结构演变及腐蚀动力学特征展开深入分析，为熔盐环境材料防护提供了新的理论依据。

FeCrAl涂层作为典型的抗氧化-耐腐蚀复合涂层，其防护核心在于表面形成的致密Cr?O?-Al?O?梯度氧化层。然而在氯化熔盐（50% NaCl + 50% KCl）环境中，传统涂层面临双重挑战：一是Cl?离子渗透引发的氧化层结构崩解；二是熔盐电解质环境导致的电化学腐蚀加速。现有研究多集中于硫酸盐体系下的涂层优化，对高浓度氯离子熔盐环境的有效防护方案仍存在明显技术瓶颈。

本研究的创新性在于采用陶瓷颗粒梯度增强技术，通过控制颗粒类型、分布密度及界面反应，构建多尺度防护体系。实验采用激光熔覆工艺制备了不同陶瓷含量（20wt%和40wt%）的复合涂层，通过多维度表征手段揭示了不同强化相的协同防护机制。在650℃高温熔盐环境中，复合涂层的腐蚀速率较纯FeCrAl涂层分别降低42.5%和32.7%，但高含量陶瓷相（40wt%）的涂层却出现性能退化，这一发现对优化复合涂层设计具有重要指导意义。

从微观结构分析可知，TiC颗粒在高温下发生相变反应，其热解产生的TiO?纳米层（厚度约10-15μm）能有效阻碍Cl?离子渗透。TiC与基体金属的梯度过渡区域形成连续的Cr?O?-TiO?复合氧化层，显著提升界面结合强度。XRD分析显示，复合涂层在热腐蚀过程中形成了稳定的Cr?O?-TiO?梯度结构，其中Cr?O?占比达到65%-70%，而TiO?仅占15%-20%，这种比例配置既保证了氧化层的致密性，又维持了必要的离子迁移通道。

Al?O?增强涂层的防护机制则侧重于物理屏障效应和元素再分配。SEM观察显示，Al?O?颗粒在涂层中形成规则的六方晶体结构，其晶界间距控制在1-2μm范围内，有效阻隔熔盐渗透。更关键的是，Al?O?颗粒作为铝元素富集源，通过主动氧化反应促进表面Al?O?富集，在涂层与熔盐界面形成厚度达20-30μm的致密Al?O?保护层。EDS面扫数据显示，Al元素在界面区域的浓度梯度可达2.5倍，这种梯度分布能有效抑制Al?O?层剥落。

对比研究发现，20wt%的TiC增强涂层展现出最佳综合性能。其微观结构呈现典型的梯度分布特征：基体区域Cr?O?占比68%，过渡区TiO?与Cr?O?形成连续过渡带，表层则富集TiO?（占比35%）。这种梯度结构在650℃下表现出优异的热稳定性，循环测试中涂层界面未出现裂纹或孔隙。而40wt%的TiC涂层因颗粒堆积导致孔隙率升高至8.7%，XPS分析显示界面存在氧空位缺陷，加速了Cl?离子沿晶界迁移。

Al?O?增强涂层的优势主要体现在物理阻隔效应。透射电镜（TEM）分析显示，Al?O?颗粒在涂层中形成直径5-8μm的等轴晶粒，晶界清晰度较纯FeCrAl涂层提高40%。当熔盐腐蚀持续120小时后，Al?O?涂层仍保持完整的晶粒结构，而纯FeCrAl涂层已出现明显的晶界氧化坑。这种物理屏障使腐蚀反应局限于表面氧化层，避免了深层基体材料的腐蚀。

值得注意的是，两种复合涂层在腐蚀后期均出现性能退化。TiC增强涂层在腐蚀200小时后，质量损失速率从初始的0.85mg/h·h?.?增至1.2mg/h·h?.?，主要归因于TiO?层在持续氧化过程中产生的微裂纹。而Al?O?涂层在150小时后出现界面分层，EDS线扫显示Al元素浓度梯度发生倒置，导致Al?O?层剥落。这提示在优化陶瓷相含量时，需综合考虑其热膨胀系数与基体材料的匹配性，以及长期服役中的相稳定性。

实验建立的腐蚀动力学模型表明，复合涂层的腐蚀速率受控于三个关键因素：氧化层致密性、元素扩散激活能及界面结合强度。TiC增强涂层通过相变反应形成纳米级TiO?层，将熔盐渗透深度限制在50μm以内；而Al?O?涂层则通过铝的主动氧化形成外延生长的Al?O?层，其断裂韧性较纯涂层提升2.3倍。XPS深度剖析显示，两种复合涂层的表面氧化层厚度均达到15-20μm，显著优于纯涂层的8-12μm。

工业应用场景分析表明，FeCrAl/TiC涂层更适合短期高负荷工况（<500小时），而FeCrAl/Al?O?涂层在长期稳定运行环境中更具优势。研究推荐的优化参数为：激光功率1200W，扫描速度1.5mm/s，Al?O?颗粒含量20-25wt%。这种梯度复合结构在熔盐环境中可维持超过300小时的稳定防护，且具备良好的机械加工性能，已通过某熔盐反应堆的720小时加速寿命试验验证。

该研究对熔盐环境材料防护技术的发展具有重要启示：首先，陶瓷颗粒的引入应遵循"梯度增强、界面优化"原则，通过控制相变过程实现防护层自修复；其次，需建立多尺度防护模型，综合考虑纳米结构（<100nm）、微结构（<10μm）和宏观性能的协同作用；最后，针对不同熔盐体系（如高Cl?、高SO?2?或混合电解质）应发展定制化的复合涂层设计策略。研究结果已应用于某新型熔盐冷却器制造，使关键部件的服役寿命从传统材料的1200小时提升至3800小时以上。