机械能助渗铝机制和渗铝层组织结构与性能表征

摘要

用自行研制的机械能助渗装置，对机械能助渗铝的渗剂配方、温度、时间、滚筒转速、渗剂装入量、滚筒直径、渗剂粒度、冲击粒子等工艺因素对机械能助渗铝速度的影响进行了试验研究。 应用金相分析、电子探针、X射线衍射仪、透射电镜等现代分析方法，研究和分析了机械能助渗铝层的组织结构、形貌、化学成分分布；分析了机械能对试样基体微观缺陷的影响。 利用化学反应的热力学函数，研究分析了机械能助渗铝化学反应过程的方式、步骤；考察了机械能助渗铝过程中渗剂反应、活性原子吸附、扩散三个主要环节的热力学和动力学机制，从而确定了整个助渗过程的控制环节和非控制环节；在此基础上，建立了机械能助渗铝机制的理论模型。 分析测试了机械能助渗铝层的显微硬度、耐腐蚀性、抗高温氧化性等性能以及机械能助渗铝层对基体抗拉强度、延伸率等力学性能的影响。 结论表明： 1、选择适宜的供铝剂、催渗剂和填充剂，机械能助渗可以在500-650℃的低温下得到厚度均匀、组织致密的渗铝层，渗铝层厚度可以达到250um；渗速可以达到，甚至超过粉末高温渗铝(900℃以上)的速度。但渗层中形成疏松孔洞的倾向较大。 2、渗铝温度越高，渗速越快。如果填充剂颗粒较细，当渗铝温度大于650℃时，铝粉熔化，渗剂流动性差，渗铝速度反而下降。因此机械能助渗铝温度应控制在500-650℃。如果填充剂颗粒较粗，铝粉熔化基本不影响渗剂流动性。在700℃机械能助渗铝渗速很快，08F钢渗铝层厚度达到500 u m，但渗剂中的铝粉粘结成很大的铝球，浪费铝粉。渗层厚度与保温时间基本成抛物线关系。滚筒转速在8r/min、滚筒内空隙达到10％时，渗速最快。 3、渗铝层内部组织主要是由Fe<,2>Al<5,>相构成，Fe<,2>Al<5,>相呈柱齿状向基体内生长。渗铝层中还存在少量FeAl、Fe<,3>AI等铁铝化合物及非晶态合金相，在Fe<,2>Al<5,>相和基体之间没有FeAl、Fe<,3>Al等独立成层的低铝相区，没有形成晶粒粗大的含铝a-Fe相过渡区。 4、渗铝层表面组织是在Fe<,2>Al<5,>相表面断续分布着Al<,2>O<,3>、FeO以及(FeO)n·(Al<,2>O<,3>)m等氧化物颗粒；这些氧化物颗粒先于Fe<,2>Al<5,>相生成。 5、随着碳含量的增加，渗铝层厚度下降；1Cr18Ni9不锈钢、金属钛、镍表面机械能助渗铝也能得到渗铝层，渗铝速度远低于低碳钢；在铜表面机械能助渗铝未能得到渗铝层；在镁表面机械能助渗铝得到的渗铝层很脆，容易剥落。 6、在500-700℃，粉末渗铝过程在热力学上是自发过程；在反应、吸附、扩散三个过程中，渗铝剂中反应产生活性铝原子的过程是反应控制的主要过程。 7、机械能助渗的机制是由于渗剂颗粒之间相互冲击、摩擦提高了供铝剂的化学活性，增加了渗剂各组分之间、供铝剂与渗件表面之间的接触机会，加速了渗剂反应，使活性铝原子浓度大大提高。渗剂和渗件之间的相互冲击、摩擦使表面氧化膜变得不连续，净化了渗件表面，有利于活性原子吸附，也有提高渗速的作用。 8、催渗剂NH<,4>Cl产生的HCl并不能完全清除试样表面的氧化铁薄膜，活性铝原子首先进入Fe<,2>Al<5,>薄膜中夺取氧原子生成Al<,2>O<,3>，铁元素被还原，但铁原子并没有与铝结合为铁铝化合物，而是以FeO的形式存在，在渗层表面形成了(FeO)n(Al<,2>O<,3>)m氧化物颗粒。 9、机械能渗铝层的显微硬度达到980HV<,0.1>；具有良好的耐NaCl、H<,2>S、H<,2>SO<,3>、HNO<,3>等腐蚀介质腐蚀的性能和高的抗高温氧化性。材料经过机械能助渗铝后，基体仍然可以保持良好的机械性能；工件变形小，可以应用于形状复杂的工件。因此机械能助渗铝工艺具有良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1机械能助渗铝工艺研究的目的

1.2机械能助渗工艺的研究现状

1.3各种能量助渗的研究状况

1.3.1离子渗氮

1.3.2流动粒子炉化学热处理

1.3.3高频感应加热助扩渗

1.3.4表面纳米化助渗

1.3.5化学气相沉积技术

1.3.6物理气相沉积

1.4金属间化合物

1.4.1金属间化合物制备方法

1.4.2常用金属间化合物种类

1.5金属间化合物涂层性能与制备

1.5.1渗铝法

1.5.2热喷涂法

1.5.3原位熔覆合成法

1.5.4渗铝和铝化物涂层技术的应用

1.6本课题研究内容、目标与方法

第二章 工艺试验

2.1试验材料与装备

2.1.1试验材料

2.1.2试验装备

2.2机械能助渗工艺方法

2.3渗剂成分对渗速的影响

2.3.1供铝剂

2.3.2催渗剂

2.3.3填充剂

2.3.4冲击粒子

2.4工艺参数对渗速的影响

2.4.1渗铝温度

2.4.2保温时间

2.4.3滚筒转速

2.4.4渗剂在滚筒中的装入量

2.4.5滚筒直径

2.5本章小结

第三章 机械能助渗铝渗层组织结构分析

3.1分析仪器与试验方法

3.2渗层金相分析

3.3渗铝层组织形貌与成分分析

3.41渗铝温度对渗铝层表面形貌的影响

3.5渗铝层表面物相分析

3.6低温静止粉末渗铝组织结构分析

3.7渗铝层透射电镜分析

3.8不同材料机械能助渗铝组织结构

3.8.1碳含量的影响

3.8.2不锈钢渗铝

3.8.3钛渗铝

3.8.4镍渗铝

3.8.5铜渗铝

3.8.6镁渗铝

3.9本章小结

第四章 机械能助渗铝机制分析

4.1扩散过程的考察

4.2渗剂反应与活性原子吸附的考察

4.3本章小结

第五章 机械能助渗铝层的性能表征

5.1显微硬度

5.2耐腐蚀性

5.2.1氯化钠水溶液浸渍试验

5.2.2耐硫化氢腐蚀试验

5.2.3电化学腐蚀试验

5.2.4N80油管渗铝耐腐蚀性

5.3抗高温氧化性

5.4对基体力学性能的影响

5.5本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

博士期间发表和已接受的论文