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等离子过程中FeAl涂层的扩散及氧化机理研究

2020-10-03 15:24编辑: www.51jrft.com51今日论文网
等离子过程中FeAl涂层的扩散及氧化机理研究
利用双辉等离子渗金属技术,在不同温度下,以纯铝为靶材在纯铁基体上沉积铝涂层。在沉积过程中,铝和铁在相互扩散的作用下形成了铝化铁(FeAl)涂层。然后,在580℃将FeAl涂层进行等离子氧化。采用掠射角X射线衍射(GAXRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)及高分辨电子显微镜(HRTEM)等仪器观察涂层的微观结构、化学成分及微观形貌。结果表明:铝在沉积过程中,铝涂层是由大量晶体缺陷的纳米晶组成的,等离子氧化后,表面形成了Al2O3而内层则是FeAl金属间化合物。同时,在氧化层中出现了大量的孔洞,这是因为Fe和Al的本征扩散系数不同。涂层中形成了大量的晶界和位错等缺陷,这为氧的扩散提供了快速通道从而增加了氧的扩散系数。
关键词 扩散,FeAl金属涂层,晶体缺陷,双辉等离子渗合金化技术,氧化
1  绪论1
1.1  FeAl涂层的应用1
1.2  FeAl涂层的研究现状3
1.3  FeAl涂层的制备方法4
1.4  课题研究意义和研究内容5
2  实验与方法5
2.1  实验材料6
2.2  实验设备6
2.3  测试方法8
3  结果与讨论8
3.1  FeAl涂层的组成9
3.2  氧化10
3.3  氧化机制14
结论19
致谢 20
参考文献21
1绪论
1.1  FeAl涂层的应用
FeAl金属化合物拥有较高的室温比强度、相对高的温度,且在高温环境中抗渗碳、抗熔融盐腐蚀、抗氧化、抗硫化及等良好的性能,预计该材料将在核反应堆元件、电磁元件、航空、熔炉高温装置、化工等较多领域获得宽泛利用。
1.1.1  耐腐蚀性的应用
FeAl金属间化合物优异的耐腐蚀性能是因为表面快速形成了氧化铝保护膜,表面能有效防止基体被腐蚀。近年来,FeAl金属间化合物被用作阻氚材料的研究逐渐增多[1],这主要归咎于其优异的耐腐蚀性能。在金属中,氢和它的同位素渗透能力很强,且扩散多数为间隙原子的形式。但在陶瓷材料中,他们的渗透能力比较弱,扩散形式类似于分子扩散。在阻挡氚渗透方面,有些陶瓷材料的渗透系数比金属的低上几个数量级。FeAl金属间化合物具有特殊有序结构,因此他包含了一般金属间化合物不具备的其他性能,还拥有优良的抗腐蚀性能,并且原材料价格低,在核技术中存在潜在应用价值。
1.1.2  软磁材料的应用
铁铝(FeAl)金属间化合物含有五种类型的金属间化合物,FeAl、FeAl2、FeAl3、Fe2Al5和Fe3Al,其中,铁含量较高的是FeAl和Fe3Al,而Fe3Al在磁化率方面有杰出的表现,这使得FeAl金属间化合物成为了有用的软磁材料。FeAl金属间化合物作为软磁材料有很高的磁导率,很容易退磁,磁滞损耗也小,适宜在交变磁场中使用,用来制造电磁铁、高频电磁元件的铁芯、电机和变压器,并且广泛用于绿色照明、太阳能光伏产业、电子产品的电感和线圈、通信元器件、磁头等领域。
1.1.3  焊接方面的应用
对于钢铁和铝等的焊接工艺而言,金属间化合物层的厚度控制是很重要的,采用表面反应的加工技术来提高扩散焊接和热浸涂层之间的表面硬度。实验已经研究了[2],钢中铝液热浸涂层的化学成分和金属间层中杂质对他们生长动力学的影响。通常在873℃到923℃的温度范围内进行扩散接合和热浸镀,在固体铁或固体铝表面进行扩散。这样的条件下形成的FeAl金属间化合物层通常是FeAl3和Fe2Al5。最初形成的是FeAl3层,这是由钢基材的铁原子向外扩散到铝层在接近表面处形成的,并且Fe2Al5层是在FeAl3层和钢基体之间的界面处形成的。这样的Fe2Al5层相邻于钢基体,其发展形态是舌状的,并且Fe2Al5层的扩散生长已经被控制。在943℃到1073℃的温度范围内,此涂层活化能的增长为155mol/KJ。铝在铁中的扩散系数为53×104m2/s(793/922K),这比铁在铝中的扩散系数大,铁的扩散系数是1.8×104m2/s(1003/1673K)。然而,应该指出的是,前者的温度范围比后者低。此外,在钢基体里金属间化合物层的生长速率随着碳含量增加而减少,并且也可以通过改变硅原子的含量来抑制生长速率。
1.1.4  抗高温性的应用
FeAl涂层在高温环境中具有较好的高温比强度,不含有贵重合金元素,并且密度低,所以成本低,成为了理想高温防腐蚀和抗耐磨材料。主要应用与发电站锅炉“四管”( 省煤器管、过热器管、再热器管、水冷壁)。同时,在抗高温结构材料[3]方面也存在着巨大的潜力。
1.2  FeAl涂层的研究现状
不锈钢由于其良好的塑性和较高强度等优点,成为了核系统中重要的结构材料之一。因此,要解决不锈钢氚渗透泄漏的问题,可以在不锈钢结构件的表面制备陶瓷阻氚渗透的阻挡层,这是重要技术途径之一。为了在保存材料本身性能的条件下,同时要减少氢的渗透,可以在不锈钢的表面制备一层防氚渗透层。与氢相比,碳、氮、氧等这类负电性的元素,在与金属的结合力方面比氢强。因此,在这些负电性元素不与氢反应的温度和压力下,会阻碍氢在金属表面的吸附,这是因为这下元素占据了氢溶解的位置。在吸附金属的表面喷涂制备一层氧化物、氮化物、碳化物或复合涂层的前提下,可有效降低氢在其上的吸附率或粘附几率。在金属表面一些容易吸附氢的位置,氧原子几乎可能完全占据这些地方,更重要的是,它还会占据如边界、位错、凸缘等氢易吸附分解的位置。所以,为了有效地阻挡氚的渗透,在金属表面制备致密的涂层是很有必要的。
现如今阻氚层薄膜的研究较多,涉及有铝化物涂层、氧化物涂层、钛基陶瓷涂层、复合陶瓷涂层或硅化物涂层等。FeAl涂层之所以拥有很强的阻氚能力,是因为涂层中含有的Al2O3对氚渗透有很强的阻挡能力。同时,在使用过程中,由于铝原子的活性很高,涂层中的铝元素会夺取铁原子结合的氧原子形成Al2O3,具有自行修复涂层中微裂纹的能力。使其成为发展潜力最大的阻氚涂层是因为其拥有优良的综合性能,也是当今社会的研究热点[4]。
辛丽[4]等人直接选取粉末包到不锈钢的表面埋渗FeAl,再向涂层注入Y这种稀土元素,研究了渗FeAl层氧化膜的热应力和生长应力影响下氧化膜开裂以及剥落现象。注入Y使氧化铝膜恒温生长应力下降,降低了膜的开裂以及剥落情况的产生,提高了氧化膜粘附性。发现缘故是使氧化形貌以及氧化膜生长机制发生了变化,使膜塑性变形能力有所升高。李莎[5]等人选取热浸镀铝再进行氧化处理获得α-Al2O3、 FeAl涂层, 5Pa以及900℃的氧分压令脆性FeAl金属间的化合物转变为伸展性更佳的FeAl+α-Fe(Al)相,铝涂层转化成γ-Al2O3。除此之外,形成裂缝以及孔洞会受到低环境压力的影响。郝嘉琨等人[1]在316L不锈钢的表面通过磁控溅射法镀制出2-3μm的Al2O3薄膜,这是为了研究氚在316L不锈钢表面Al2O3镀层中的扩散渗透行为,镀制的薄膜具有抗热冲击、抗氧化、低活性、抗辐照等特点,且膜与基体的相容性也好。当温度为704~773K,薄膜中的氚渗透率能够较基体材料中低了4到6个数量级。当生成氢同位素分离膜的时侯,选取粒度不大于3μm的Fe16Al2Cr当作多孔不锈钢基体减孔层, 800℃下,放入极高的纯Ar里处理24小时得到的氧化铝膜可以有力地阻碍不锈钢多孔基体和钯合金膜中的元素的扩散。沈嘉年等人[6]尝试在不锈钢表面进行渗铝,原位氧化生长Al2O3膜层防氚渗透性能,并且拿氢去模拟氚、氘在材料里渗透。沿着膜层深度方向,氢原子浓度急剧降低,在深度0.2μm处,原子浓度趋于平衡,与不锈钢基体化学组成中的氢原子含量相近。表明薄膜层从0.2μm处开始,氢原子向内部的渗透能力急剧下降以至于难以渗透进去,这说明Al2O3涂层的防氢渗透能力还是很好地。
1.3  FeAl涂层的制备方法
目前FeAl涂层的制备方法有很多,以高温扩散法、电弧喷涂法为主。此外还有激光熔覆法、双层辉光等离子渗金属法等。
1.3.1  高温扩散法制备FeAl涂层
高温扩散法制备FeAl涂层采用丝材电弧喷涂设备将纯铝喷涂在基体表面上,基体材料选用的是钢板。并利用在高温环境下,加速铁铝元素之间的扩散促进金属间化合物的形成,扩散时间为1.5小时。在此过程中,由于温度升高,原子的运动加剧,促使原子扩散加剧,铝原子向涂层中扩散的深度也随之增加,且涂层的厚度也随温度的升高而增加,与此同时高温也促进了铁铝金属间化合物的形成。在控制涂层厚度方面,我们可以通过调整热喷涂的工艺参数和后期处理的温度与时间。
为了可以将涂层的厚度控制在我们所需的范围内,王灿明等人[7]原先设想是通过控制喷铝层的厚度来增加金属间化合物涂层的厚度。因为在涂层热处理的过程中,首先发生涂层与基体元素的相互扩散,即涂层中的铝向基体中扩散,基体中的铁向涂层中扩散,并反应生成铁铝系金属间化合物。根据这种反应机制,喷铝层越厚,所得的金属间化合物涂层越厚。而实际实验所得的结果则略有不同,当喷铝层增加到足够的厚度(>1.5mm)时,经过高温长时间的扩散后随炉冷却,涂层明显的分为两部分,外层为氧化皮和一些疏松的涂层组织,经机械敲打后很容易的脱落。内层与基体结合牢固,并且组织相对较致密一些,具有一定的实用价值。我们所说的涂层厚度,实际上是内层的涂层厚度。显然,这一层的厚度既和喷铝层的厚度有关,也随着高温扩散温度的提高或扩散时间的延长而增加。
1.3.2  电弧喷涂法制备FeAl涂层
电弧喷涂法制备FeAl涂层,是在低碳钢基体上制备FeAl金属间化合物涂层,主要采用粉芯丝材和高速电弧喷涂技术。高速电弧喷涂得到的涂层的主要相为α相和Al2O3、铁铝金属间化合物(Fe3Al和FeAl),还有少量Al经过电弧喷涂制备的FeAl涂层牢固地集结在低碳钢基体的表面,不仅冶金结合还有机械结合的结合方式。纯铝涂层大体利用下面铁铝涂层给予的粗糙表面,在外层经过机械结合的方式沉积。在优良喷砂处理的碳钢基体上喷涂优异的铁路涂层,钢基体同涂层之间结合强度能够大于30MPa。就算喷涂到没有机械结合作用的光滑的基体表面,铁铝涂层结合强度同样会超过10MPa。
1.3.3  双层辉光等离子渗金属法制备FeAl涂层
双层辉光等离子渗金属技艺提高了一类新的表面冶金办法,其能在平常的能导电的材料表面产生拥有不一样物理机械性能以及化学性能合金层[8]。其原理是在真空容器里摆放阴极、阳极(放置被渗工件)以及原极(欲渗金属)。阴极放置被渗的不锈钢基体,源极以纯铝为靶材。阴极以及阳极同源极和阳极中都放一个直流可控高压电源。等真空室抽真空达极限同时加入惰性气体,通常是氩气,直到工作气压以后,开启两个直流高压电源,令阴极同阳极和源极以及阳极中各自出现辉光放电,这就是“双层辉光放电现象”。当辉光放电时,金属离子以及气体离子遭到电场影响并加速,轰射源极和阴极,令基体的表面发生溅射。被溅射出的Al离子受到磁场以及电厂作用后朝着工件表面进行运动。遭受渗透的不锈钢阴极电压不高,离子轰击能量不高,一边的加热基体被离子轰射,一边形成基体表面溅射,基体表面由于溅射形成空位等缺陷。源极来的Al元素吸附、沉积入活性较大的基体表面,同时在高温下扩散且渗入基体里面,导致拥有Al元素的表面合金的扩散层[9]。
双层辉光等离子渗金属技术的特点是利用阴极溅射,较高的温度,它结合了空心
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