一種普適性的金屬表面低溫滲鋁方法——熔鹽反應滲鋁

引言

熱擴散滲金屬是一種重要并被廣泛應用的表面強化和改性技術，它是利用化學熱處理方法將金屬原子擴散滲入工件表面形成冶金擴散層，以改變其組織結構和化學成分，它可以顯著提升材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蝕和抗高溫氧化性能等。由于反應動力學和擴散過程的限制，熱擴散滲金屬一般需要在高溫下進行。如鋼鐵材料的滲鋁溫度一般為900~1050°C，過高的熱處理溫度將帶來一系列負面影響，包括高能耗、工件畸變、基體晶粒粗大引起力學性能惡化甚至材料表面局部溶化等。因此，降低熱處理過程的溫度，一直是熱擴散滲金屬處理領域的主要挑戰之一。相應的，如何能夠在低溫獲得冶金擴散層及其形成機制已成為熱擴散滲金屬處理基礎研究中的一個前沿方向。

成果簡介

天津大學鐘澄等研究人員提出了一種新的可大幅降低金屬表面冶金擴散層制備溫度的普適性方法，即利用基體與含欲滲金屬離子的熔鹽之間發生的自發電化學反應，在低溫區間內于基體/熔鹽界面產生新生態的活性金屬原子，并結合后續的金屬原子反應擴散過程，實現冶金層的低溫制備。其系列研究結果發表在J. Alloy. Compd., Surf. Coat. Technol.等刊物。該研究發現：1）利用金屬與熔鹽之間自發的電化學反應，能夠極大程度降低滲金屬溫度；2）低溫熔鹽體系的擴散滲金屬能夠獲得普適性的應用，可成功應用于鎂合金、鐵、鈷、鎳等體系；3）活性原子的產生是實現低溫滲金屬的關鍵因素。

圖文導讀


圖1. （a）表面滲鋁AZ91D鎂合金的SEM截面圖（b）（c）鎂鋁元素的電子束探針(EPMA)分布圖（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.T. Wu, Y.J. Chen, Y.D. Deng, B. Shen, W.B. Hu, Lower temperature fabrication of continuous intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy in molten salts, J. Alloy. Compd., 2010, 504: 377-381.）

圖2. （a）（c）（e）對應AZ91D鎂合金在320°C的鋁熔鹽中處理4,8,12小時的截面SEM圖，（b）（d）（f）是對應EDX元素線性掃描結果（引用自文獻J.J. Le, L. Liu, F. Liu, Y.D. Deng, C. Zhong, W.B. Hu, Interdiffusion kinetics of the intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy formed in molten salts at lower temperatures, J. Alloy. Compd., 2014, 610: 173-179.）

圖3. （a）（c）（e）對應AZ91D鎂合金在360°C的鋁熔鹽中處理4,8,12小時的截面SEM圖，（b）（d）（f）是對應EDX元素線性掃描結果（引用自文獻J.J. Le, L. Liu, F. Liu, Y.D. Deng, C. Zhong, W.B. Hu, Interdiffusion kinetics of the intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy formed in molten salts at lower temperatures, J. Alloy. Compd., 2014, 610: 173-179.）

圖4. （a）（c）（e）對應AZ91D鎂合金在400°C的鋁熔鹽中處理4,8,12小時的截面SEM圖，（b）（d）（f）是對應EDX元素線性掃描結果（引用自文獻J.J. Le, L. Liu, F. Liu, Y.D. Deng, C. Zhong, W.B. Hu, Interdiffusion kinetics of the intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy formed in molten salts at lower temperatures, J. Alloy. Compd., 2014, 610: 173-179.）

圖5. 表面滲鋁AZ91D鎂合金的XRD結果（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.J. Chen, B. Shen, Y.T. Wu, Y.D. Deng, W.B. Hu, Formation of an aluminum-alloyed coating on AZ91D magnesium alloy in molten salts at lower temperature, Surf. Coat. Technol., 2010, 205: 2412-2418.）

圖6. AZ91D鎂合金與表面滲鋁AZ91D鎂合金在3.5 wt.%氯化鈉溶液中的電化學阻抗譜（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.J. Chen, B. Shen, Y.T. Wu, Y.D. Deng, W.B. Hu, Formation of an aluminum-alloyed coating on AZ91D magnesium alloy in molten salts at lower temperature, Surf. Coat. Technol., 2010, 205: 2412-2418.）

圖7. AZ91D鎂合金與表面滲鋁AZ91D鎂合金在3.5 wt.%氯化鈉溶液中的線性極化曲線圖（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.T. Wu, Y.J. Chen, Y.D. Deng, B. Shen, W.B. Hu, Lower temperature fabrication of continuous intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy in molten salts, J. Alloy. Compd., 2010, 504: 377-381.）

圖8. （a）（b）滲鋁合金層和鎂合金基體納米壓痕的掃描探針圖和線性輪廓圖（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.J. Chen, B. Shen, Y.T. Wu, Y.D. Deng, W.B. Hu, Formation of an aluminum-alloyed coating on AZ91D magnesium alloy in molten salts at lower temperature, Surf. Coat. Technol., 2010, 205: 2412-2418.）

圖9. （a）硬度隨距離表面滲鋁合金層深度變化圖（b）最大載荷1000μN下，滲鋁合金層，基體材料，未處理的AZ91D鎂合金的納米壓痕載荷與深度曲線（引用自文獻C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.J. Chen, B. Shen, Y.T. Wu, Y.D. Deng, W.B. Hu, Formation of an aluminum-alloyed coating on AZ91D magnesium alloy in molten salts at lower temperature, Surf. Coat. Technol., 2010, 205: 2412-2418.）

小結

研究人員選取了各類金屬基體，利用LiCl-KCl等低溫熔鹽體系擴散滲鋁，在原始基體材料表面制備出了均勻、致密、厚度理想的富鋁冶金擴散層。對滲鋁前后金屬的耐蝕性能進行了電化學分析和宏觀腐蝕性能表征，以探究熱處理溫度、保溫時間等參數對于耐蝕性能的影響。此外，采用Heumann擴散模型計算了該體系下反應擴散過程中生成不同相的互擴散系數以及互擴散激活能，揭示了活性鋁原子對于低溫熱擴散滲鋁的重要意義。該系列文章的創新點主要有3點：1）利用金屬與熔鹽之間自發的電化學反應，能夠極大程度降低滲金屬溫度；2）低溫熔鹽體系的擴散滲金屬能夠獲得普適性的應用，可成功應用于鎂合金、鐵、鈷、鎳等體系；3）活性原子的產生是實現低溫滲金屬的關鍵因素。

文獻鏈接

[1] C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.T. Wu, Y.J. Chen, Y.D. Deng, B. Shen, W.B. Hu, Lower temperature fabrication of continuous intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy in molten salts, J. Alloy. Compd., 2010, 504: 377-381.
[2] C. Zhong, M.F. He, L. Liu, Y.J. Chen, B. Shen, Y.T. Wu, Y.D. Deng, W.B. Hu, Formation of an aluminum-alloyed coating on AZ91D magnesium alloy in molten salts at lower temperature, Surf. Coat. Technol., 2010, 205: 2412-2418.
[3] C. Zhong, F. Liu, Y.T. Wu, J.J. Le, L. Liu, M.F. He, J.C. Zhu, W.B. Hu, Protective diffusion coatings on magnesium alloys: A review of recent developments, J. Alloy. Compd., 2012, 520: 11-21.
[4] J.J. Le, L. Liu, F. Liu, Y.D. Deng, C. Zhong, W.B. Hu, Interdiffusion kinetics of the intermetallic coatings on AZ91D magnesium alloy formed in molten salts at lower temperatures, J. Alloy. Compd., 2014, 610: 173-179.
[5] F. Liu, Y.D. Deng, X.P. Han, W.B. Hu, C. Zhong, Electrodeposition of metals and alloys from ionic liquids, J. Alloy. Compd., 2016, 654: 163-170.
[6] Y. Gu, J. Liu, S. Qu, Y. Deng, X. Han, W. Hu, C. Zhong, Electrodeposition of alloys and compounds from high-temperature molten salts, J. Alloy. Compd., 2017, 690: 228-238.

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