通过 HVOF 喷涂工艺在 MDN 420 钢上制备的 CoMoCrSi + Cr₃C₂ 复合涂层的高温腐蚀与循环氧化行为

在严酷高温环境中保护金属

现代发动机、发电厂和工业锅炉的运行温度极高且腐蚀性环境严苛，使得金属零件随着时间推移会逐渐被“烧蚀”。更换这些部件既昂贵又有风险。本研究探讨了一种特殊的保护涂层，将其喷涂到一种常用的高强度钢上，旨在使这些零件在暴露于强热与侵蚀性盐沉积物时，仍能避免生锈、开裂和崩落。

金属为何会在高温下崩解

在许多涡轮机、锅炉和化工装置中，金属零件既承受高温又接触腐蚀性化学物质。空气中的氧会缓慢形成氧化层，而例如燃料中含有钠和钒等杂质时产生的熔盐会侵蚀这些氧化物，打开更快速的损伤通道。裸露的钢在这种条件下先是增重，因为厚且易剥落的氧化鳞片生长，然后这些鳞片脱落导致材料损失。随着时间推移，这种生长与剥落的循环会导致关键部件变薄、开裂并失效。

为钢铁穿上的坚固新“外衣”

研究者选取了 MDN 420 钢——一种用于苛刻工况的马氏体不锈钢——并用由钴、钼、铬和硅组成的复合涂层覆盖，内含硬质的铬化物颗粒作为增强相。采用高压氧燃（HVOF）喷枪以超音速将粉末喷射到钢板上，形成约 0.2 毫米厚的致密层。对喷涂工艺的精细控制产生了低孔隙率且表面粗糙度适合耐磨的涂层。显微检查显示结构致密、硬质颗粒分布均匀，仅存在少量裂纹与孔隙；硬度测试表明涂层表面的硬度超过基体钢的三倍以上。

涂层如何对抗高温与盐蚀

为了评估涂层性能，研究者对涂覆与未涂覆的钢样品进行了反复加热到 700 °C 并冷却的循环试验，试验介质为空气（测试氧化）或熔融硫酸钠与氧化钒的混合物（测试热腐蚀）。在空气中，涂层促进在表面长出薄且连续的铬氧化物和二氧化硅层。这些层像紧密的“皮肤”一样减缓氧的向内扩散，并封闭喷涂颗粒间的微缝隙。因此，与裸钢相比，涂层样品的增重明显更小，意味着氧化物堆积大幅减少，且在 50 个循环中其氧化速率保持低且稳定。

在盐浴中发生了什么

熔盐试验更具侵蚀性，模拟了燃料锅炉和涡轮机中钠、钒化合物熔化并润湿热金属表面的情况。在此情况下，涂层仍然优于裸钢：增重和腐蚀速率显著更低。然而，详细分析显示盐并非仅停留在表面。盐与涂层内的钼、铬氧化物发生反应，生成复杂的盐-氧化物化合物。这些新相（如钼酸钠和钒酸钠）会形成多孔且易碎的鳞层。随着挥发性钼氧化物的蒸发，出现裂纹和坑洞，保护“皮肤”局部剥离，暴露出新的基体材料以遭受进一步侵蚀。

在强度与耐久之间的平衡

总体而言，与裸露的 MDN 420 钢相比，该涂层显著降低了氧化和热腐蚀速率——其测得的速率常数低了数倍。由坚韧的钴基基体、硬质碳化物颗粒以及自形成的保护性氧化物相结合，使涂覆钢能在高温和腐蚀性盐环境中经受更长时间的考验。但研究也揭示了这种保护的局限性：在盐诱导反应和挥发性氧化物造成孔隙与脆弱鳞层的区域，损伤会逐步积累。对非专业读者来说，结论是：经过精心设计的涂层可作为热金属部件的防火、防化学侵蚀的“盔甲”，显著延长其运行寿命——但要在最恶劣的含盐环境中长期有效，还需进一步改进，例如封孔或调整成分。

引用: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

关键词: 高温涂层, 热腐蚀, 抗氧化性, 热喷涂, 不锈钢防护