雙輝等離子表面冶金技術(shù)制備Fe-Al-Cr合金層及其性能研究.pdf

1、Fe-Al合金具有優(yōu)異的抗高溫氧化性、耐磨損性和耐腐蝕性能。但由于其韌性差而難以制造和加工,嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。研究表明,Cr可有效提高Fe-Al合金的塑性,同時(shí)可進(jìn)一步改善其綜合性能。而采用表面合金化技術(shù)在普通強(qiáng)韌性材料表面制備Fe-Al-Cr合金層,則既可以發(fā)揮Fe-Al合金抗高溫氧化、耐磨和耐蝕性能優(yōu)勢,又可以有效避開其整體材料難以加工成型的難題。
　　本文采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)在Q235碳鋼表面制備Fe-Al-Cr合

2、金層,優(yōu)化出理想工藝參數(shù)為:源極電壓850~950V、工件電壓450~550V、試驗(yàn)溫度800℃、時(shí)間3.5h、工作氣壓35Pa和極間距15mm。通過SEM、EDS、XRD、劃痕試驗(yàn)、顯微硬度檢測、納米壓痕測試、恒溫氧化試驗(yàn)、摩擦磨損試驗(yàn)、電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)等測試分析手段,對在理想工藝條件下所制備合金層的微觀形貌、成分分布、組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、抗高溫氧化性、耐磨損性和耐腐蝕性進(jìn)行了深入的研究和分析。結(jié)果表明,合金層與基體冶金結(jié)合,其厚度約為

3、25~30μm,均勻致密,無孔洞裂紋等缺陷;合金元素由表及里呈梯度分布,Fe呈梯度上升,Cr元素呈梯度下降,Al元素為先上升后下降;合金層中主要物相為Fe2AlCr、Fe3Al、FeAl、Fe(Cr)固溶體、Cr23C6以及α-Fe(Al);表面顯微硬度(460.3HV0.1)為基體的2.5倍;合金層的彈性模量為284.2GPa,塑性變形功為5.68×10-8J,說明其表面具有較強(qiáng)抵御塑性變形的能力,韌性得到提高;高溫氧化試驗(yàn)表明,在5

4、00℃、600℃和700℃高溫條件下,Fe-Al-Cr合金層較基體表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化腐蝕性和自修復(fù)功能,其表面氧化膜結(jié)構(gòu)為外層致密 Cr2O3和 Fe2O3,以及內(nèi)層 Al2O3,FeCr2O4和 Fe3O4;摩擦磨損試驗(yàn)表明,在不同載荷和溫度條件下,Fe-Al-Cr合金層的摩擦系數(shù)、磨損率、磨損體積和比磨損率均低于基體。在最大載荷(530g)和最高溫度(400℃)的條件下, Fe-Al-Cr合金層的比磨損率分別為0.2758×10-3

5、mm3?N-1?m-1和0.1656×10-3mm3?N-1?m-1,約為基體的1/3和1/5,說明合金層顯著提高了基體的耐磨性;電化學(xué)試驗(yàn)表明,在3.5％NaCl溶液體系中,Fe-Al-Cr合金層自腐蝕電位Ecorr、自腐蝕電流密度icorr和極化電阻Rp分別為-0.348V、1.245×10-3A/cm2、248.9Ω/cm2,均優(yōu)于基體和304不銹鋼。在0.5mol/LH2SO4溶液體系中,合金層在-0.201V維鈍電壓和3.12