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扩散与固态相变论文1 - 副本


镁合金表面的扩散渗铝技术
镁及镁合金具有极其优越的物理和机械性能, 尤其是高比强度使其成为汽车 和航空等领域的理想材料。但其很差的腐蚀性能、耐磨性能和蠕变性能以及高的 化学活性,这都阻碍了镁及其合金在很多领域的应用,其中耐蚀性能差是制约镁 合金发展的重要原因之一。而在基体表面添加均匀,结合强度高、无孔和自愈合 的涂层材料是防止腐蚀的最有效的途径之一, 在这些被广泛研究的表面处理及涂 层技术中,一个十分具有创新性的方法就是扩散渗铝法制备镁表面涂层。 固态扩散渗铝技术的方法是一种有效的扩散渗铝方法, 其中包括热扩散渗铝 法和真空热扩散粉末渗铝法等。 热扩散渗铝是将金属工件放在含有渗铝元素的活 性介质中,加热到一定温度后进行保温,使渗铝元素被吸附并扩散渗入表面层, 改变表面层化学成分, 致使工件表面的组织结构和性能发生改变的一种化学热处 理方法; 真空热扩散粉末渗铝工艺的特点是在渗铝炉内一定的低压真空环境下实 现热扩散粉末渗铝合金化过程,这样不仅可以降低活化剂的分解温度,使渗铝过 程在较低的温度下进行,同时也可以防止铝粉与工件表面的氧化,降低铝粉用量 和渗铝成本,加速渗铝过程以提高表面渗层质量。 扩散渗层的形成机理由以下三个过程组成:(1)产生渗剂元素的活性原子并 提供给基体表面;(2)表面吸附及界面反应;(3)渗入的金属原子被金属试样表面 吸附后,在其周围立即产生渗入金属的浓度差,它使渗入的金属原子向着垂直和 平行试样表面的方向扩散,随着渗入时间的延长,零件吸收渗入的金属原子的增 长,逐步形成渗金属层。渗层的形成是通过热扩散技术得到的,此渗层是渗剂元 素的原子向基体金属中扩散而形成的合金层,即金属固溶体层或金属间化合物 层,或者是二者兼有的渗层,所以形成渗层的首先条件就是渗入元素必须能够同 基体金属形成固溶体或金属间化合物;其次,欲渗元素与基材之间必须有直接接 触,这一般通过设计相关的工艺或创造必要的工艺条件来实现;第三,被渗元素 在基体金属中要有一定的渗入速度,否则在生产上就没有使用价值,提高渗速的 最重要手段之一就是将工件加热到足够高的温度, 使溶质元素能够有足够大的扩 散系数和扩散速度。 20 世纪末,ShigematsuM 等研究了 AZ91D 镁合金铝扩散涂层体系。它是用 铝粉将镁合金包覆后,在惰性气体保护下于 450℃进行热处理,在试样表面形成厚

度为 750μm 的 Al-Mg 金属间化合物。 涂层主要由α-Mg 和β相(Mg17Al12)所组 成。中间过渡层存在少量的裂纹,但在涂层与基体界面并没有观察到任何气孔或 孔隙的存在。镁合金表面硬度从 60HV 提高到 160HV。在实验中,通过扫描电 镜对扩散试样进行分析可知, 440℃时金属型 AZ91D 镁合金在 430℃扩散渗铝 在 12h 时,渗铝层组织均匀,结构致密,没有空隙或裂纹等缺陷出现,渗铝层是以 锯齿状与基体结合在一起,且结合很牢固,结合处没有空隙等缺陷存在,整个渗 层厚度均匀约为 70μm。而金属型 AZ91D 镁合金在 430℃扩散渗铝 12h 后,渗 层中的铝的含量远高于基体中铝的含量, 且远离基体处的铝的含量明显比靠近基 体处的含量高。基体中铝的含量低且较稳定,渗层中镁的含量远低于基体镁得含 量,且变化也较剧烈,说明渗层的主要是由镁、铝两种元素组成,且以铝元素为 主,渗铝过程中铝和镁之间是相互扩散,有利于渗层与基体的结合。 大量的实验表明,镁合金经扩散渗铝后,材料的表面硬度、耐磨性能都较大 的提高了,从而提高了镁合金的应用范围,因此扩散渗铝技术在是一种有效的提 高合金材料性能的方法。同时,扩散渗铝技术在钢、合金钢、铸铁、热强钢和耐 热合金、难熔合金和以难熔合金为基体的合金、钛、铜等其他材料也都有广泛应 用。


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