0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面等離子滲鋯合金層的研究

2013-12-16 蔡航偉桂林電子科技大學(xué)

　　利用輝光等離子滲金屬技術(shù)，在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面形成滲Zr合金層，探討了極間距、氣壓、保溫溫度、源-陰極電壓差、保溫時間對滲Zr合金層厚度的影響，進(jìn)而優(yōu)化工藝參數(shù)，并對合金層的金相組織、元素分布及物相組成進(jìn)行分析。優(yōu)化工藝參數(shù)為：極間距30mm，工作氣壓35Pa，保溫溫度1060℃，源-陰極電壓差300V，保溫時間5h，所獲滲層厚度為65μm;Zr在滲層中呈梯度分布，滲層組織為柱狀晶，且與基體呈良好的冶金擴(kuò)散結(jié)合。

　　0Cr18Ni9Ti不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性、焊接性及綜合力學(xué)性能，在航空航天、化工、原子能等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而因其承受的最高使用溫度只有800℃左右，高溫氧化問題已成為制約其應(yīng)用于高溫環(huán)境的重要因素。而Zr是強(qiáng)碳化物形成元素，形成的碳化物穩(wěn)定性、硬度、耐磨性和抗氧化性能均較好，Zr的氧化物更因具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能可作為良好的熱障材料。因此，采用等離子滲金屬技術(shù)在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面滲Zr，再進(jìn)行氧化處理在其表面形成ZrO2改性層，可明顯提高其抗高溫氧化性。而滲Zr時工藝參數(shù)會通過改變活性Zr原子的濺射、輸運(yùn)及吸附擴(kuò)散能力，來影響滲Zr合金層的厚度及微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對合金層的使用性產(chǎn)生影響，因此優(yōu)化工藝參數(shù)對形成良好的滲Zr合金層至關(guān)重要。本文探討了工藝參數(shù)對滲Zr合金層厚度的影響，并對最優(yōu)工藝參數(shù)下的滲層分別進(jìn)行金相組織、成分、物相等檢測。

1、試驗(yàn)部分

　　試驗(yàn)材料：源極為長方形鋯板，其尺寸為：100mm(長)×50mm(寬)×5mm(厚)，純度為99.99%，試驗(yàn)前需將源極打磨清理干凈。試樣基材為0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，試樣化學(xué)成分(質(zhì)量比)為：Cr17.00%～19.00%，C≤0.07，Ni8.00%～11.00%，Ti5C約0.07%，Mn≤2.00%，Si≤1.00%，P≤0.035%，S≤0.030%，其余為Fe。尺寸為35mm×10mm×3mm。裝爐前，需將試樣經(jīng)不同型號的水砂紙打磨，并用拋光機(jī)拋光，再用超聲波清洗干凈并烘干。

等離子滲金屬設(shè)備原理圖

圖1 等離子滲金屬設(shè)備原理圖

　　試驗(yàn)方法：采用DGLT-15型多功能離子化學(xué)熱處理爐進(jìn)行滲Zr處理(滲Zr原理如圖1所示)，輔助陰極采用尺寸為210mm×150mm×180mm的長方形碳鋼盒，將試樣與鋯板懸掛置于輔助陰極內(nèi)，并加上蓋板以隔熱保溫。滲Zr的工作溫度通過WDL-31型光電溫度計進(jìn)行測試;調(diào)節(jié)源極電壓、工件電壓與氣壓，實(shí)施升溫、保溫的滲入工藝。滲Zr后，將試樣隨爐緩冷至室溫。在源極電壓-800～-1000V，陰極電壓-500～-700V，源-陰極電壓差300V，占空比0.2～0.8，工作氣壓30Pa，保溫溫度1020℃，保溫時間5h的條件下，選擇極間距為20，25，30，35mm進(jìn)行滲Zr處理，根據(jù)極間距對滲Zr合金層厚度的影響來優(yōu)化極間距。之后，保持其它工藝參數(shù)不變，采用優(yōu)化極間距，選擇工作氣壓25，30，35，40Pa進(jìn)行滲Zr處理，根據(jù)工作氣壓對滲層厚度的影響來優(yōu)化工作氣壓。接著，選擇保溫溫度980，1020，1060，1100℃，根據(jù)保溫溫度對滲層厚度的影響來優(yōu)化保溫溫度。同理，在優(yōu)化的極間距、工作氣壓、保溫溫度下，分別選擇源-陰極電壓差250，300，350，400V，保溫時間為4，4.5，5，5.5，6h，進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示，以優(yōu)化源-陰極電壓差與保溫時間。

表1 等離子滲鋯工藝參數(shù)

等離子滲鋯工藝參數(shù)