中科院金屬所Nature子刊：一種超速金屬表面改性技術

張小臺 7年前 (2016-12-20) 5036瀏覽

【引言】

在能源或化工等產業中，工程材料的服役條件日漸嚴峻，表面改性則是改善材料表面性能的重要一步。其中，材料表面滲鋁是一種低成本的、改善基材高溫抗氧化性的方法，通過滲鋁能改善耐熱鋼在高溫高壓下的使用性能，提高其作為蒸汽管使用時的穩定性，并延長使用壽命。然而，大多數的傳統滲鋁技術都存在諸多缺點，如擴散慢、加工困難、相容性差等，進一步限制了滲鋁技術在實際生產中的使用。因此，尋找一種操作容易并且反應速度快的表面改性技術十分重要。

【成果簡介】

近日，中科院金屬研究所的沈明禮（通訊作者）等人研究出一種利用受激電子的遷移活動，在奧氏體不銹鋼（304SS）表面滲鋁的超速表面改性技術（EMMA），以達到改善鋼表面性能的效果。研究人員通過改變流過鋼表面脈沖電流的參數時發現，這一過程加速了Fe原子的向外擴散，僅10分鐘即形成較好韌性的表面涂層，這一涂層主要由FeCrAl和β-FeAl兩個相組成，并且鋼表面的高溫抗氧化性得到了明顯的提高。該成果以“A general strategy for the ultrafast surface modification of metals”為題于2016年12月7日在Nature Communications上發表。

【圖文導讀】

圖1 電遷移輔助滲鋁（EMMA）

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a.試樣表面通電流滲鋁的圖示，所提到電流流過的方式：

b.直流電（DC），這種情況下電子遷移力（EMF）平行于基體表面，無法與化學勢能梯度（CPG）耦合；

c.脈沖直流（PDC）或交流電（AC），當變化的電流產生變化的磁場時，如圖所示就出現了渦流；

圖2 滲鋁層的特征圖

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a.?1300A·cm-2，10min，直流（DC）；

b.?1400A·cm-2，10min，脈沖直流(PDC)；

c. a，b兩個樣品的XRD圖譜，可以看出脈沖直流（PDC）滲鋁樣的物相只有FeCrAl和β-FeAl兩個相；

d. FeCrAl相的名義擴散系數，脈沖直流（PDC）滲鋁樣品中FeCrAl層展現出更快的增長速度；

e. 脈沖直流（PDC）滲鋁樣品b內層的TEM圖，標尺分別為200nm和20nm；可以得出在這個過程中 Fe原子的向外擴散占據了主導地位；

圖3 FeCrAl層的超速形成

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a.?1900A·cm-2，5min，脈沖直流（PDC）條件下滲鋁層的SEM圖、EDS成分和橫截面壓痕深度形貌；

b. 標尺為100nm下FeCrAl層的TEM圖；

c. EDS圖，Ni元素和Cr元素的分布較為均勻，而Al元素隨著與基體的距離越近，含量越低；

d. 對應b圖畫圈區域的選區電子衍射（SAED）；

圖4 在水蒸氣下樣品的高溫氧化情況

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a.原始樣品與滲鋁304SS樣品的氧化動力曲線：1400A·cm-2，10min，脈沖直流（PDC）條件下得到β-FeAl/FeCrAl雙層樣品在氧含量40 vol%和900℃水蒸氣下測試，1900A·cm-2，5min，脈沖直流（PDC）條件下得到FeCrAl單層樣品在氧含量50 vol%和700℃水蒸氣下測試；

b. 304SS（左邊）和滲鋁（右邊）樣在900℃測試后的表面形貌；

c. SEM下304SS橫截面氧化膜的形成；

d. SEM下700℃測試后滲鋁樣橫截面氧化膜的形成，由此可以看出，滲鋁后的樣品高溫抗氧化性能的提高得益于氧化鋁層的形成；

標尺為b.5mm；c,d.10μm

【小結】

沈明禮副研究員等人將滲鋁過程的驅動力—化學勢能梯度（CPG），和受激電子的遷移力（EMF）相結合，實現超速奧氏體不銹鋼（304SS）表面改性，這種技術更易在表面得到韌性相，大大縮短加工時間，并明顯提高奧氏體不銹鋼表面的高溫抗氧化性能，這必定能改善滲鋁技術在表面改性中應用的現狀。同時，這項技術也被證實可用在低碳鋼的滲硅和滲鉻中，因此，這項表面改性技術相比于傳統技術而言，具有明顯的優異性。

文獻鏈接：A general strategy for the ultrafast surface modification of metals?（Nat.Commun.,2016，DOI: 10.1038/ncomms13797）

本文由材料人編輯部金屬材料學術組張怡整理編譯，點我加入材料人編輯部。

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