渗铝工艺制备Fe-Al涂层的研究进展

刘春峰 唐先慧 杨巍华 申延智 任敏婷 李斌 刘佩 田能源 许州 方赟

摘要：通过渗铝工艺在钢材表面制备Fe-Al涂层，能够提升钢材的性能并扩展其使用范围。本文介绍了Fe-Al涂层的形成机理及性能，并对粉末包埋渗铝法、热浸镀扩散渗铝法、喷涂渗铝法和气相渗铝法等不同渗铝工艺进行了综述。最后，对渗铝工艺制备Fe-Al涂层的研究提出展望。

关键词：Fe-Al涂层;渗铝工艺;渗铝钢;研究现状

中图分类号：TG174  文献标识码：A

随着全球工业化进程的稳步发展，机械结构对钢材综合性能的要求也越来越严苛，金属表面渗镀技术应运得以兴起。钢材表面渗铝工艺是金属表面渗镀技术的一种，是通过采用不同的技术在钢材基体表面渗入Al元素，与基体发生合金化反应后获得Fe-Al涂层的化学热处理方法[1]。表面渗铝后获得的渗铝钢不仅具备钢材基体的力学性能，其表面还表现出优异的耐蚀性、耐磨性和抗高温氧化性，当前已在石化、冶金、电力、农机及航空航天等领域得到了广泛的应用，发展前景广阔[2]。近年来，世界各地针对渗铝工艺的研究取得了喜人的成果，创造出极高的经济价值，我国也在20世纪50年代末开展了大量细致性的相关研究，并将研究成果大规模地应用于实际工业生产中，经历数十载仍经久不衰[3-4]。

结合科技新理念，研发渗铝工艺的新方法和新技术，提高Fe-Al渗层在特殊工况下的综合性能。为了更加全面的掌握渗铝工艺制备Fe-Al涂层的相关研究成果，本文介绍了Fe-Al涂层的形成机理及性能，综述了粉末包埋渗铝法、热浸镀扩散渗铝法、喷涂渗铝法和气相渗铝法等不同渗铝工艺的研究现状，并对该领域的研究提出展望，旨在探索相关规律，为相关领域的研究提供一定的技术借鉴。

1 Fe-Al涂层形成机理分析

Fe-Al涂层归属于金属间化合物层或金属固溶体层范畴，渗铝工艺制备的Fe-Al涂层是通过钢材基体的Fe原子与渗入的Al原子之间相互扩散最终形成合金层来实现的[5]。任何渗铝工艺最终获得令人满意的Fe-Al涂层都需要经历三个必不可少的过程[6]：（1） 渗剂组分分解：当体系温度升高到一定程度时，渗剂的各组分之间就会发生一系列的化学反应，产生的反应气体能够在极短的时间内覆于钢材表面，并引发后续的化学反应;（2） 活性原子吸收：丰富的反应产物活性Al原子在钢材基体表面大量积聚，除了少数的Al原子沿着界面向钢材基体内部扩散外，更多的活性Al原子继续参与后续的化合反应并与钢材基体中的Fe原子相结合，而后在钢材基体表面生成Fe-Al化合物，该金属间化合物层或表面固溶体层即为Fe-Al涂层的萌芽状态。（3）渗层扩散增长：钢材基体表面及内部的活性Al原子在经过反复的附着和吸收后，渗入钢材表层的活性Al原子受到高温热力学作用会持续地扩散到钢材内部更深处，与此同时，基体中的Fe原子也将向渗层方向不断地扩散，这些原子运动的结果就是渗层厚度逐渐增加，最终获得复合型渗层组织，即Fe-Al涂层。

值得注意的是，原子之间进行扩散始终遵循菲克定律，所获得的Fe-Al涂层的厚度与扩散过程密切相关。扩散温度、扩散时间以及活性Al原子的浓度都会在一定程度上对Fe-Al涂层的形成效果产生影响[7]。此外，钢材基体表面的活性情况以及Al原子的激活效果也是扩散过程中必须要考虑的因素[8]。

2 渗铝工艺制备Fe-Al涂层的性能

2.1 抗氧化性

渗铝钢的抗氧化能力是其表面抗氧化的Fe-Al涂层发挥保护作用的结果，Fe-Al涂层的厚度及涂层中Al元素的含量都会对其抗氧化性产生影响。若Fe-Al涂层疏松多孔不致密，Fe原子和O原子就会在涂层中自由的渗透，则钢材仍会被这些渗入的原子氧化而影响其后续的使用。因此，优化工艺参数制备具有高密度的Fe-Al涂层是提高涂层抗氧化性的关键[9]。由于渗铝钢的使用温度较高，在高温条件下，Al原子与O原子有很强的结合能力，能够形成致密的抗氧化层，由此获得的Fe-Al涂层堆积密度大，无空位等缺陷，阻断氧气与钢材基体的直接接触，进而有效改善钢材的抗高温氧化性[10]。

2.2 耐腐蚀性

渗铝钢表面生成的Fe-Al涂层不仅能防止基体被氧化，还能够阻隔腐蚀介质原子与钢材基体中的Fe原子相接触，使其无法发生进一步的化学反应，因此不会有腐蚀性产物生成。此外，在含有矿物燃料的燃烧产物环境中，不仅是燃烧后的反应气体会对钢材产生侵蚀作用，更多的是表面硫酸盐或氯化物等沉积盐的强腐蚀性，这种因沉积盐引起的高温环境下的腐蚀现象被称为热腐蚀[11]。渗铝工艺制备的Fe-Al涂层结合能较高、密度大并且Fe原子很难被转换，因此在腐蚀性介质中，就只有涂层表面积聚的大量Al原子被腐蚀，Fe-Al涂层能有效阻止腐蚀介质的侵入。较无Fe-Al涂层的一般钢材而言，渗铝钢在CO2、SO2、SO3、H2S、海水及酸碱溶液等介质中的耐腐蚀性更加显著[12]。

2.3 耐磨性

对钢材基体表面进行渗铝工艺处理后，由于Al原子的渗入会在钢材表面生成Fe-A1金属间化合物，该金属间化合物的成分以硬度相当高的Fe2Al5相为主，其硬度可以达到60 HRC左右，该硬度甚至可以与马氏体钢材的硬度相媲美，所以渗铝工艺制备的Fe-A1涂层赋予了渗铝钢卓越的耐磨性[13]。

3 Fe-Al涂层渗铝工艺研究

3.1粉末包埋滲铝法

粉末包埋渗铝法制备工艺简单、成本低、渗层效果好且相间结合力强，是应用最为广泛的一种渗铝工艺。粉末包埋渗铝法是将钢材包埋于渗铝剂中，经过Al原子向钢材内部的扩散进而获得Fe-Al涂层的方法。参与粉末包埋的渗铝剂组分包括铝源、填充剂和活化剂等[14]。铝源为粉末包埋渗铝过程提供充足的Al元素，经常被用作铝源的物质是铝粉和铁铝合金;填充剂在体系中起到高温加热防止物相间相互粘结的作用，氧化铝颗粒和高岭土粉是最常被使用的填充剂;活化剂在渗铝反应过程中能够促进Al原子的渗入，发挥其催渗作用，氯化铵在粉末包埋工艺中常被作为活化剂使用。

为了使活性Al原子在渗铝过程中表现出更加活跃的状态，可以在渗铝剂中加入具有特殊组分的助渗剂。陈辉等[15]在渗铝剂中加入稀土元素制备Fe-Al涂层，Al原子与稀土元素积聚在N80套管钢表面的晶体缺陷处，并在稀土元素周围迅速生成柯氏气团，Al原子處于柯氏气团的上端并发生跃迁转移，加入稀土元素后增加了渗层中活性Al原子的数量，提高了渗铝效率。Bates等[16]将Cr-Al合金添加到渗铝剂中，并调控其中Al原子的含量，有效激发了渗入Al原子的活跃程度，制备得到具有Al原子浓度梯度的Fe-Al涂层。此外，机械能辅助法可以获得纳米化的表面组织，从而加速钢材基体表面Al原子的扩散速率。沈正军等[17]利用机械能辅助法以Al粉与纳米Y2O3粒子的混料作为渗铝剂，在600℃下获得Fe-Al-Y2O3纳米复合涂层，其中弥散分布的纳米Y2O3粒子还起到了钉扎作用，降低了剥落量和氧化增重量，提高了钢材的抗高温氧化性。

3.2热浸镀扩散渗铝法

热浸镀扩散渗铝法因其效率高、工业投资少、渗层质量优和技术成熟等优点得以广泛应用。热浸镀扩散渗铝法是将钢材浸入到处于熔融态的铝液中，恒温保持一段时间后通过热扩散作用改变钢材表面的化学组成，形成Fe-Al合金层的方法。热浸镀过程中，固态Fe与液态Al之间经过相互吸附、漫流、浸润和溶解，发生一系列的化学作用及物理扩散。热浸镀扩散渗铝法制备获得的Fe-Al涂层具有优异的抗高温氧化性和耐腐蚀性[18]。

不仅钢材基体与铝液的成分及配比，都会对Fe-Al涂层的形成速度、微观结构和性能起到决定性作用，热浸镀温度和热浸镀时间等工艺参数也会对形成Fe-Al的厚度及组织结构产生影响。Zhao等[19]采用不同的热浸镀温度在H13钢表面进行渗铝，基体上存在较多晶格间隙有利于高温下Al原子的快速渗入。钢材基体上Fe-Al涂层的厚度随热浸镀时间和温度的增加而增加，而Al层的厚度则随着热浸渍温度的升高而减小。Jeshvaghani[20]等在800℃对9Cr-1Mo钢热浸渗铝时发现，Fe-Al涂层与热浸镀时间服从菲克定律，随着热浸镀时间的增加，Fe-Al涂层的厚度也会相应地增加。除了工艺条件的影响外，在体系中加入一定含量的添加剂也会对Fe-Al涂层的组织和性能的改善发挥作用。孙伟[21]等在进行45钢热浸镀铝时在渗铝剂中加入了稀土元素，制备的Fe-Al涂层主要表现为内部为合金层和外部为纯Al层的双层结构，且Fe-Al涂层与钢材基体的结合界面处呈现出锯齿状，加入稀土元素后的钢材耐蚀性得到显著的改善。

3.3喷涂渗铝法

喷涂渗铝法设备简单、工艺易掌握、生产率高且对工件的形状没有过高要求。喷涂渗铝法是采用喷涂的方式使Al原子附着于工件表面，然后通过热扩散过程在工件表面形成牢固的Fe-Al合金层。喷涂渗铝法的工艺过程包括工件表面处理、喷涂铝层、铝层的封闭处理和扩散退火等，先后在钢材基体表面形成喷涂结合层和喷涂工作层。根据喷涂渗铝温度的不同，可将喷涂渗铝法分为热喷涂和冷喷涂两种[22]。与前述粉末包埋法和热浸镀法相比，该方法制备的Fe-Al涂层硬度不足，与基体的结合强度较差。

喷涂技术对设备和技术的要求较高，研发新型的喷涂工艺成为技术攻关的重点。Diamantogiannis等[23]通过火焰喷涂工艺在双相钢表面制备了Fe-Al涂层。由于涂层的保护作用，腐蚀环境下钢材很好的保持了其力学性能以及结构的完整。Esfahani等[24]采用电弧喷涂技术在钢材表面制备Fe-Al涂层，随着退火温度的升高，涂层的表面变得更加致密，Fe-Al涂层的厚度也显著增加，钢材的耐腐蚀性能得到有效改善。相对于火焰喷涂和电弧喷涂等热喷涂工艺而言，采用冷喷涂工艺制备的Fe-Al涂层密度更高、硬度更大且结合强度更好。Silva等[25]利用冷喷涂工艺在碳钢表面成功获得了300 μm以上厚度且低孔隙率的Fe-Al涂层，该涂层的结合强度最高可达到30 MPa，表现出优异的耐腐蚀性能。

3.4气相渗铝法

气相渗铝法是一种无接触式的扩散渗铝方法。与粉末包埋渗铝法类似，气相渗铝的渗铝剂也包含铝源、填充剂和活化剂等组分。不同的是，渗铝过程中，钢材与渗铝剂之间并没有直接的接触，而是加热到一定温度时，在活化剂作用下渗铝剂中析出活性Al原子，并通过氩气载体输运到钢材表面，再以沉积、扩散和吸收等过程渗入钢材表层，同时伴随着溶质元素卤化物的气相扩散与基体中的固相扩散，进而形成Fe-Al涂层[26]。

黄锦阳等[27]以P92钢为基体，采用化学气相渗铝法制备Fe-Al涂层，760℃相对低温下获得的涂层为单层结构，基体近表处形成约12 μm厚度的Al原子富集层，其主要成分为Fe3Al 和富铝化合物。Perez等[28]采用流化床气相渗铝法在304不锈钢表面制备了Fe-Al涂层，525℃恒定温度下，涂层厚度随加热时间的增加而增加，该渗铝工艺加热温度低且用时短。

4 结语与展望

采用渗铝工艺在钢材表面制备Fe-Al涂层，能够有效改善钢材基体的抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性等，渗铝钢材已在石化、冶金、电力、农机及航空航天等领域得以广泛应用。制备Fe-Al涂层最常用的渗铝工艺有粉末包埋渗铝法、热浸扩散渗铝法、喷涂渗铝法和气相渗铝法等。目前，针对渗铝工艺已展开了深入的研究，并已开发出多种技术先进的新型渗铝工艺。该领域今后还会在改进已有工艺的基础上向着低成本、低能耗的方向继续发展，以期更加适应时下的工业应用。

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