碳钢表面机械合金化制备高Cr合金层的研究

【摘要】： 机械合金化过程中,粉末在经历冷焊和细化的同时,其中一部分粉末吸附在磨球表面及罐壁上,经过反复挤压和冷焊,形成一定厚度的涂层。根据这一原理本文从三种不同的粉末体系出发,配以一定的球磨工艺参数,首次在管状碳钢材料内壁成功制备了高Cr合金层。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM),能谱仪(EDS)及透射电镜(TEM)等对合金层进行显微组织、化学成分和相结构分析,并进行显微硬度测试、热震实验、循环氧化实验、阳极氧化实验来测试合金层相关性能。 实验首先以纯Cr粉为合金层原始粉末,分别设定300r/min,400r/min,500r/min三种球磨转速。发现高Cr合金层的厚度受机械球磨工艺参数的影响,且在合金层和基体结合处存在扩散现象。对含10wt%RE-Si-Fe和20wt%Al粉所制备的合金层的显微组织分析发现,稀土元素和Al能有效增加Cr的沉积率,提高合金层的厚度和扩散层厚度。 合金层的性能测试表明,高Cr合金层的显微硬度相对原始基体均有较大程度的提高,且界面结合处的硬度呈现梯度分布,抗高温氧化能力和耐蚀性相对于基体也有较大的提高。在球磨转速为500r/min条件下,抗氧化性能和耐蚀性最为优良。添加稀土元素后,合金层的抗剥落能力得到很大提高,试样在3.5wt%NaCl溶液中的腐蚀性得到较大改善。添加Al使得合金层抗剥落能力得到一定程度的提高,合金层表面抗高温氧化能力要强于纯Cr粉合金层试样。 在研究MA技术制备高Cr合金层的机理时认为,球磨过程中,由于磨球对试样表面的摩擦及剪切作用,导致试样表面处于高度激活态,促进了Cr粉与试样表面的结合。Fe、Cr原子彼此相互扩散,形成冶金结合的合金层,同时冷焊而成的复合Cr粒子继续与试样表面发生冷焊作用,使合金层往外生长。