激光熔覆Inconel 625/Al复合涂层增强15CrMo钢在S-CO2环境中的高温腐蚀防护性能研究

为解决低铬钢在高温超临界二氧化碳(S-CO2)环境中的腐蚀问题，研究人员通过激光熔覆技术开发了Inconel 625/Al复合涂层。通过优化工艺参数和调控Al含量(0.5-4 wt%)，系统研究了涂层的微观结构演变与性能。结果表明：4 wt% Al涂层形成156 nm厚的Cr2O3/NiCr2O4氧化层，界面处的六方Al2O3和非晶SiO2协同抑制氧扩散，显著提升耐蚀性。该研究为S-CO2动力系统低成本材料开发提供了新思路。

　　

在能源技术革命背景下，超临界二氧化碳(S-CO₂)布雷顿循环因其卓越的热效率成为第四代核能系统和清洁能源领域的热门选择。然而，这种先进动力系统面临着一个"阿喀琉斯之踵"——当工作温度超过650°C、压力达20 MPa时，结构材料在富含活性碳氧介质的环境中会迅速劣化。传统高铬镍合金虽能抵御腐蚀，但其高昂成本让整个系统的经济性"触礁"。如何让廉价的15CrMo钢（铬含量<9 wt%）在严苛的S-CO₂环境中"披上铠甲"，成为推动该技术商业化落地的关键突破口。

针对这一挑战，核动力研究院等机构的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表了一项创新研究。他们摒弃了传统磁控溅射(MS)结合真空扩散热处理(VIHT)的复杂工艺路线，转而采用激光熔覆这一"激光画笔"，在15CrMo钢表面"绘制"出Inconel 625/Al复合涂层。通过精确调控铝含量(0.5-4 wt%)和激光参数，成功实现了防护性能与成本效益的"双赢"。

研究团队首先采用单因素实验优化工艺参数，确定激光功率2.5 kW、扫描速度6 mm/s、送粉率10 g/min为最佳组合。随后通过SEM、EBSD等表征手段发现，随着Al含量增加，涂层中Laves相(Fe₂(Nb,Mo))析出增多，显微硬度呈梯度上升，4 wt% Al样品硬度达380 HV，磨损率降低42%。最令人振奋的是，经过1000小时650°C S-CO₂暴露测试后，所有涂层均保持金属光泽，表面形成双层氧化膜结构：外层为连续致密的Cr₂O₃/NiCr₂O₄（厚度156 nm），内层为亚稳态六方Al₂O₃与非晶SiO₂的复合界面层，这种"三明治"结构将氧扩散系数降低至基材的1/20。

材料与粉末
选用150×50×16 mm的15CrMo钢板为基材，搭配气雾化法制备的Inconel 625与纯Al混合粉末（Al含量梯度为0.5、1、2、4 wt%）。通过预置送粉法确保成分均匀性，采用同步送粉激光熔覆系统进行涂层制备。

工艺参数优化实验
通过单道熔覆实验发现，当激光功率超过3 kW时会产生"驼峰"效应，而低于2 kW则出现未熔合缺陷。最终选定2.5 kW功率配合6 mm/s扫描速度，获得宽高比1.8的理想熔道形貌。金相分析显示4 wt% Al涂层的稀释率控制在8%以内，显著低于传统堆焊工艺。

结论
该研究突破性地证实：1）适度Al添加可促进保护性氧化膜形成而不损害涂层完整性；2）界面处亚稳相Al₂O₃与非晶SiO₂的协同效应是提升长期耐蚀性的关键；3）激光熔覆技术相比KAIST开发的MS+VIHT工艺，在涂层结合强度（提升300%）和工艺复杂度（步骤减少60%）方面具有显著优势。这项工作不仅为S-CO₂系统提供了经济高效的表面工程解决方案，其揭示的"亚稳相界面调控"机制更为高温防护涂层设计提供了新范式。

讨论
尽管4 wt% Al涂层展现出最优性能，但作者Gen Zhang等指出，当Al含量>5 wt%时会出现微裂纹敏感性增加的问题。未来研究将聚焦于：1）开发Al/Ni梯度涂层以平衡韧性与耐蚀性；2）探究S-CO₂压力波动对氧化膜稳定性的影响。这项由国家重点研发计划(2024YFB4607100)等资助的研究，标志着我国在先进能源材料表面工程领域取得的重要进展。