钢表面等离子弧复合熔覆工艺研究(2)
Fe-Al系金属间化合物因其资源丰富，成本低廉，是最富研究应用前景的金属间化合物，吸引着众多的材料研究者和使用者，主要类型包括FeAl、Fe3Al。Fe-Al系金属间化合物被国际材料界誉为“穷人用的不锈钢”。因具有高温强度、耐磨损、耐烧蚀、密度小等许多优良性能，在近20多年来，发展十分迅速，已经成为航天、武器、核能、汽车、冶金、机械工业等发展高新技术的关键材料[1]。
其中Fe3Al金属间化合物是指Al原子分数为25％～32％、具有DO3结构的Fe-Al合金。Fe3A具有密度低、比强度高、抗高温氧化、耐腐蚀和耐磨损等特点，由于不含或少含战略性合金元素(如Ni、Cr等)，其原料成本远低于Ti／Al、Ni／Al金属间化合物和不锈钢，在工业领域中的应用前景十分广阔。然而，Fe3Al其室温塑性低、加工成型困难、温度超过600℃时强度急剧下降，这制约了Fe3Al金属间化合物作为结构材料的应用。近年来，Fe3Al基金属间化合物涂层受到广泛关注。在钢表面制备Fe3Al涂层，可以提高基体的高温性能，由于其性能介于陶瓷与钢之间，与基体有更良好的相容性，被认为是一种性能优良的涂层材料[2]。
等离子弧熔覆工艺过程简单, 设备成本低, 覆层与基体界面易实现冶金结合, 热源能量密度高, 是实现材料表面熔覆的一种经济灵活的热源[3]。本课题尝试采用等离子弧熔覆技术，在Q235钢板上熔覆一层Fe3Al金属间化合物，提高钢板的耐磨性。
1.2 Fe3Al金属间化合物性能特点以及发展现状
1.2.1性能特点
(1)力学性能
铸态Fe3Al金属间化合物由于组织粗大，成分偏析等问题，强度和延伸率较低，一般室温抗拉强度σb≥280～320MPa，延伸率δ=3％～5％。通过合金化、热处理、热锻、轧制、挤压等可以改善组织，细化晶粒，提高性能。Fe-28Al在300～600℃表现出反常加服行为，随温度升高屈服强度反而增大，这正是Fe3Al作为高温结构材料受到重视的主要原因。
(2)高温抗氧化性能
Fe3Al金属间化合物由于在高温下表面会形成一层致密的Al2O3氧化膜，因而具有十分优异的高温抗氧化性能。通过在700～1200℃的大气气氛中的测试对比发现，Fe3Al金属间化合物氧化增重低于不锈钢以及其它高温合金。Fe3Al金属间化合物在700℃、100h内的氧化增重最低的仅为0.07mg/cm2。在750℃时与不锈钢1Crl3的氧化性能相当，但在更高温度时表现出比普通不钢更加优越的抗氧化性。
(3)耐磨损和耐腐蚀性能
Fe3Al金属间化合物还具有良好的抗粘着磨损、磨粒磨损和高温下抗腐蚀磨损的性能。通过对Fe3Al金属间化合物在常温和高温下进行的耐磨损和耐磨蚀磨损试验表明，常温下Fe3Al金属间化合物的耐磨性能远优于3Crl3不锈钢。而在高温含硬质颗粒的腐蚀性气流中，Fe3Al金属间化合物的抗腐蚀磨损性能优于钴基、镍基合金和其它高温材料，因而它有望发展成为新一代的耐磨损和高温抗腐蚀磨损材料。
(4)加工性能
Fe3Al金属间化合物具有良好的铸造性能，可以通过砂型铸造、熔模铸造和金属型铸造实现各种形状的铸件成形。由于在高温状态呈现良好的塑性，Fe3Al金属间化合物的锻造、挤压性能良好，可以通过热处理细化晶粒，改善组织，提高性能。Fe3Al金属间化合物硬而脆，因此，可焊性差，通过近几年的研究，采用钨极氩弧焊可以获得良好的焊缝质量。Fe3Al金属间化合物加工硬化倾向大，导致机械加工性能差，科学工作者正在研究这方面的问题，试图通过热处理和合金化改善其切削加工性[1]。
1.2.2 Fe3Al基合金发展现状
1.3 Fe3Al基金属间化合物涂层方法
1.3.1 热喷涂