卓金管件有限公司LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel 625合金涂层显微组织和高温抗氧化性能的影响——文献学习体会
文献概况与应用背景
李景奎等（2025）在《表面技术》上发表的这篇文章，研究了LaB6颗粒对等离子堆焊Inconel 625（IN625）合金涂层显微组织和高温抗氧化性能的影响。研究背景是垃圾焚烧炉换热管在高温环境下的服役需求，通过引入1%（质量分数）平均粒径为5 μm的LaB6颗粒，制备了IN625/LaB6涂层，并在1000℃条件下评价其高温抗氧化性能。
在钢管与管件领域，垃圾焚烧炉换热管、锅炉受热面管、石化装置高温管道等长期处于高温氧化环境中，表面涂层的抗氧化性能直接决定了管道的服役寿命。IN625合金因其优异的耐高温、抗腐蚀性能，被广泛应用于高温管道和换热管的表面防护。然而，随着服役温度的不断提高，传统IN625涂层的高温抗氧化性能已难以满足需求，需要进一步改善。
等离子堆焊工艺特点
等离子堆焊是利用等离子弧作为热源，将堆焊材料熔化后堆敷在基体表面的焊接方法。与电弧堆焊相比，等离子堆焊具有以下特点：
| 特征 | 等离子堆焊 | 电弧堆焊 | 激光堆焊 |
|---|---|---|---|
| 热源温度 | 极高（10000-30000 K） | 高（5000-8000 K） | 极高（>10000 K） |
| 能量密度 | 高 | 中等 | 极高 |
| 熔池深度 | 中等 | 中等 | 深 |
| 稀释率 | 低-中等 | 中等-高 | 低 |
| 成形质量 | 好 | 中等 | 优 |
| 设备成本 | 高 | 低 | 高 |
| 适用场景 | 高温合金堆焊 | 一般堆焊 | 精密堆焊 |
等离子堆焊特别适用于高温合金涂层的制备，其高能量密度和良好的成形质量有利于获得致密、均匀的涂层。在本文的研究中，等离子堆焊是制备IN625和IN625/LaB6涂层的主要工艺手段。
LaB6颗粒的作用机理
晶粒细化效应
文章的核心发现之一是：LaB6颗粒的添加促进了IN625合金中部分柱状晶向等轴晶组织的转变，实现了晶粒细化。IN625样品呈现典型的柱状晶结构，而IN625/LaB6样品转变为柱状晶和等轴晶的混合结构。
柱状晶向等轴晶转变（Columnar-to-Equiaxial Transition, CET）是凝固过程中常见的组织转变现象。LaB6颗粒作为异质形核核心，在熔池凝固过程中促进等轴晶的形核，从而抑制柱状晶的生长。这一效应的工程意义在于：
- 等轴晶组织各向同性：柱状晶组织具有明显的各向异性，在特定方向上的力学性能较差。等轴晶组织各向同性，性能更均匀。
- 晶界增多：等轴晶组织晶界密度更高，有利于阻碍裂纹扩展，提高韧性。
- 氧化膜完整性：等轴晶组织在氧化过程中形成的氧化膜更为致密连续，抗氧化性能更好。
La-Ti-O复合氧化物的形成
文章指出，IN625/LaB6样品中析出相明显增多，主要包括树枝状的Laves相和La-Ti-O复合氧化物等。La-Ti-O复合氧化物细小弥散分布，在高温下起到阻碍晶粒生长的作用。
LaB6在高温下与IN625合金中的Ti、O等元素反应，形成La-Ti-O复合氧化物。这一反应过程可以简化表示为：
LaB6 + Ti + O → La-Ti-O复合氧化物 + B（或硼化物）
La-Ti-O复合氧化物作为第二相粒子，在晶界处弥散分布，通过以下机制阻碍晶粒生长：
- Zener钉扎效应：粒子钉扎晶界，阻碍晶界迁移。
- 晶界能改变：粒子降低晶界能，增加晶界迁移的活化能。
- 溶质拖曳：粒子周围的溶质富集区拖曳晶界运动。
硬度提升
LaB6的添加使IN625涂层的显微硬度从225.7 HV0.3提升到268.92 HV0.3，提升幅度约19.1%。硬度提升主要归因于：
- 晶粒细化带来的细晶强化效应。
- La-Ti-O复合氧化物的弥散强化效应。
- Laves相（Ni3Nb）的强化贡献。
高温抗氧化性能分析
氧化膜形成机制
在1000℃高温抗氧化实验条件下，IN625/LaB6样品表现出显著优于纯IN625样品的抗氧化性能。氧化常数从(72±4)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)降低到(26±3)×10⁻² mg²/(cm⁴·h)，降幅约63.9%。
氧化膜的形成机制包括以下关键过程：
- Cr的优先氧化：IN625合金中的Cr元素在氧化初期优先氧化，形成Cr2O3氧化膜。晶粒细化使IN625/LaB6样品在氧化时有更多的Cr通过晶界运输到氧化界面，形成更致密的氧化膜。
- Nb的二次扩散：由于氧化界面附近Cr的大量消耗，Nb的活度梯度增大，促进了Nb向外扩散，在氧化膜/基体界面处形成连续均匀的δ-Ni3Nb层。
- CrNbO4的形成：在氧化膜表面形成更多的CrNbO4，与Cr2O3共同构成多组分氧化膜。
- 扩散屏障作用：δ-Ni3Nb层和CrNbO4可以作为高温氧化期间阳离子和阴离子的扩散屏障，减缓氧化进程。
La-Ti-O复合氧化物的辅助作用
在晶界析出的La-Ti-O复合氧化物会阻碍Ni、Fe和Nb等阳离子向外输运，从而避免了多种氧化物形成的生长应力使氧化层剥落。这一发现具有重要的工程意义：
- 减少氧化层剥落：氧化层剥落是高温氧化失效的主要形式之一，La-Ti-O复合氧化物通过阻碍阳离子外输，减少了多种氧化物共生的生长应力，从而降低了氧化层剥落的倾向。
- 延长氧化膜寿命：完整的氧化膜可以长期保护基体，La-Ti-O复合氧化物有助于维持氧化膜的完整性。
与钢管管件应用的结合
在钢管和管件的高温氧化防护中，LaB6改性等离子堆焊技术特别适用于以下场景：
- 垃圾焚烧炉换热管：服役温度高（800-1000℃），氧化腐蚀严重，需要高性能抗氧化涂层。
- 锅炉受热面管：长期处于高温烟气环境中，需要抗氧化涂层保护。
- 石化装置高温管道：在高温高压条件下服役，需要耐高温抗氧化涂层。
- 余热回收系统管道：利用工业余热，管道长期处于高温环境。
在实际应用中，需要注意以下工艺要点：
| 工艺要素 | 控制要点 | 建议参数 |
|---|---|---|
| 等离子弧功率 | 控制熔深和稀释率 | 根据管径和壁厚调整 |
| 送粉速度 | 保证熔敷效率 | 与扫描速度匹配 |
| 堆焊层厚度 | 控制热输入 | 单层1-3 mm |
| 层间温度 | 避免过热 | <300℃ |
| LaB6粒径 | 影响形核效果 | 1-10 μm |
| LaB6含量 | 避免过量 | 0.5-2 wt.% |
关键疑问与思考
文章在1000℃条件下进行了抗氧化性能评价，但实际服役环境可能更为复杂，包括温度波动、热循环、腐蚀介质（如SO2、HCl等）的共同作用。LaB6改性涂层在这些复杂环境下的长期性能尚需进一步验证。
此外，LaB6颗粒在等离子堆焊过程中的行为需要更深入的研究。LaB6在高温下可能发生分解、反应或偏析，这些行为对最终涂层的组织性能有重要影响。建议后续研究采用原位观察技术（如高温XRD、高温SEM等）追踪LaB6在堆焊过程中的演变行为。
学习心得与启示
本文的研究为高温合金涂层的抗氧化性能提升提供了新的思路。LaB6颗粒作为晶粒细化剂和第二相增强相，在等离子堆焊IN625合金中的应用效果显著。这一技术路线对于钢管和管件的高温氧化防护具有重要的参考价值。
从工程应用的角度看，LaB6改性等离子堆焊技术的推广需要解决以下问题：LaB6材料的成本与供应、工艺参数的标准化、涂层质量的检测与评价方法等。随着垃圾焚烧、余热回收等行业的快速发展，高温抗氧化涂层的需求日益增长，LaB6改性技术有望在这一领域发挥重要作用。