一种普适性的金属表面低温渗铝方法——熔盐反应渗铝

引言

热扩散渗金属是一种重要并被广泛应用的表面强化和改性技术，它是利用化学热处理方法将金属原子扩散渗入工件表面形成冶金扩散层，以改变其组织结构和化学成分，它可以显著提升材料表面的硬度、耐磨性、抗腐蚀和抗高温氧化性能等。由于反应动力学和扩散过程的限制，热扩散渗金属一般需要在高温下进行。如钢铁材料的渗铝温度一般为900~1050°C，过高的热处理温度将带来一系列负面影响，包括高能耗、工件畸变、基体晶粒粗大引起力学性能恶化甚至材料表面局部溶化等。因此，降低热处理过程的温度，一直是热扩散渗金属处理领域的主要挑战之一。相应的，如何能够在低温获得冶金扩散层及其形成机制已成为热扩散渗金属处理基础研究中的一个前沿方向。

成果简介

天津大学钟澄等研究人员提出了一种新的可大幅降低金属表面冶金扩散层制备温度的普适性方法，即利用基体与含欲渗金属离子的熔盐之间发生的自发电化学反应，在低温区间内于基体/熔盐界面产生新生态的活性金属原子，并结合后续的金属原子反应扩散过程，实现冶金层的低温制备。其系列研究结果发表在J. Alloy. Compd., Surf. Coat. Technol.等刊物。该研究发现：1）利用金属与熔盐之间自发的电化学反应，能够极大程度降低渗金属温度；2）低温熔盐体系的扩散渗金属能够获得普适性的应用，可成功应用于镁合金、铁、钴、镍等体系；3）活性原子的产生是实现低温渗金属的关键因素。

图文导读


图1. （a）表面渗铝AZ91D镁合金的SEM截面图（b）（c）镁铝元素的电子束探针(EPMA)分布图（引用自文献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.）

图2. （a）（c）（e）对应AZ91D镁合金在320°C的铝熔盐中处理4,8,12小时的截面SEM图，（b）（d）（f）是对应EDX元素线性扫描结果（引用自文献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.）

图3. （a）（c）（e）对应AZ91D镁合金在360°C的铝熔盐中处理4,8,12小时的截面SEM图，（b）（d）（f）是对应EDX元素线性扫描结果（引用自文献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.）

图4. （a）（c）（e）对应AZ91D镁合金在400°C的铝熔盐中处理4,8,12小时的截面SEM图，（b）（d）（f）是对应EDX元素线性扫描结果（引用自文献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.）

图5. 表面渗铝AZ91D镁合金的XRD结果（引用自文献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.）

图6. AZ91D镁合金与表面渗铝AZ91D镁合金在3.5 wt.%氯化钠溶液中的电化学阻抗谱（引用自文献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.）

图7. AZ91D镁合金与表面渗铝AZ91D镁合金在3.5 wt.%氯化钠溶液中的线性极化曲线图（引用自文献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.）

图8. （a）（b）渗铝合金层和镁合金基体纳米压痕的扫描探针图和线性轮廓图（引用自文献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.）

图9. （a）硬度随距离表面渗铝合金层深度变化图（b）最大载荷1000μN下，渗铝合金层，基体材料，未处理的AZ91D镁合金的纳米压痕载荷与深度曲线（引用自文献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.）

小结

研究人员选取了各类金属基体，利用LiCl-KCl等低温熔盐体系扩散渗铝，在原始基体材料表面制备出了均匀、致密、厚度理想的富铝冶金扩散层。对渗铝前后金属的耐蚀性能进行了电化学分析和宏观腐蚀性能表征，以探究热处理温度、保温时间等参数对于耐蚀性能的影响。此外，采用Heumann扩散模型计算了该体系下反应扩散过程中生成不同相的互扩散系数以及互扩散激活能，揭示了活性铝原子对于低温热扩散渗铝的重要意义。该系列文章的创新点主要有3点：1）利用金属与熔盐之间自发的电化学反应，能够极大程度降低渗金属温度；2）低温熔盐体系的扩散渗金属能够获得普适性的应用，可成功应用于镁合金、铁、钴、镍等体系；3）活性原子的产生是实现低温渗金属的关键因素。

文献链接

[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.
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