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喷丸加速制备纳米结构铝化物涂层的研究

詹肇麟  
【摘要】:本文研究了利用介质球的冲击效应,在金属材料表面制备纳米结构铝化物涂层、纳米结构ODS涂层和在钢管内壁制备铝覆层的规律和涂层的形成机理,评价了涂层的高温氧化性能。 采用自行设计的振动渗铝实验装置,研究了在传统的粉末包埋渗铝过程中增加介质球的冲击作用,制备纳米结构铝化物涂层。在440~600℃处理0.25~4小时,可以分别在低碳钢、Cr5Mo合金、不锈钢和镍基高温合金表面制备出纳米结构铝化物涂层。这种涂层结构简单、均匀致密、没有粗晶组织和粗大的第二相沉积物,呈现纳米结构。涂层由富铝相的化合物组成,元素呈均匀的分布状态。涂层的厚度随处理温度的提高而增加,呈线性关系; 随处理时间的延长而增加,呈抛物线关系。本研究结果使铝化物涂层形成的温度大幅度降低,时间显著缩短,为在低温条件下制备扩散涂层和纳米涂层提供了一条新的途径。 采用SEM、TEM、AFM、XRD、EDS以及Pt标记实验等,研究了介质球的冲击作用下纳米铝化物涂层的形成机理。研究结果表明,介质球的冲击对低温形成纳米结构铝化物涂层起主导作用,涂层的形成机制与传统的粉末包埋渗铝不同,是表面细化、纳米化过程和原子扩散过程共同作用的结果。涂层的形成过程包括四个步骤: (1)表面形成铝附着层:在介质球冲击作用下,吸附于基体表面和介质球表面细小的铝粉颗粒,发生塑性变形,产生钉扎、冷焊等效应,在基体表面形成铝附着层。 (2)表面层组织细化与合金层的形成:介质球的冲击,使基体表面层产生塑性变形,通过晶粒内位错反应、滑移带的交互作用和晶粒的解理断裂形成解理细晶组织等过程,使表面层的组织细化,形成了大量的晶界和晶体缺陷,为原子扩散提供了快速通道,降低了扩散激活能,使原子在相对较低的温度下扩散成为可能。同时,介质球的冲击在撞击点产生严重的塑性变形,导致局部的温度升高,提高了原子的扩散能力。因此,在介质球的冲击作用下,铝附着层中的铝原子和基体中的合金原子沿大量的晶界发生扩散,富铝相金属间化合物形核、生长和转变,逐步形成合金层。 (3)合金层组织细化、均匀化、致密化:富铝相的形核降低了表面能,在相对较低的温度下,晶粒的长大受到了抑制。同时,介质球的冲击,打碎合金层中趋于长大的富铝相化合物,使合金层组织细化,形成纳米结构的合金层。另外,介质球的冲击对表层产生压应力的作用,消除了原子扩散形成的孔洞,使合金层组织致密、成分均匀。


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