NiAl金属间化合物涂层的制备方法.docx

NiAl金属间化合物涂层的制备方法.docx

《NiAl金属间化合物涂层的制备方法.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《NiAl金属间化合物涂层的制备方法.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

NiAl金属间化合物涂层的制备方法

Ni-Al金属间化合物涂层的制备方法

摘要：

通过在普通合金钢（Mn）基材表面采用电镀工艺制备一层Ni涂层，然后在Ni涂层表面制备一层Al层，通过固体高温扩散，制备出具有Fe-Ni-Al过渡层的Ni-Al金属间化合物涂层，该涂层将具有界面结合力强、热应力小、导热性较好等优点，将具有很高的应用价值。

结果表明：

（1）采用电镀工艺，在普通合金钢基体表面制备出一约40µm的Ni涂层。

（2）对镀镍后试样，采用固体粉末渗铝方法进行渗铝，制备出一连续涂层，在距试样表面35µm内，涂层相为Ni2Al3。

距试样表面35µm~55µm范围，为过渡区（三种元素共存），距试样表面55µm后面区域为Fe基体。

10724

关键词：

电镀镍涂层固体粉末渗铝高温扩散Ni-Al金属间化合物

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitlestudyonpreparationofNi-Alintermetalliccompoundcoating

Abstract

ByplatingforalayerofNicoatingonthesubstratesurfaceintheordinaryalloysteel（Mn）,andthenpreparedthesurfaceoftheNicoatinglayerofAllayer,diffusionthroughthesolidhightemperature,withthepreparationofFe-Ni-AlinterlayerNi-Alintermetalliccompoundcoatingwillbeproduced.thecoatinginterfacewillcombinewithstrong,heatstress,thermalconductivity,etc.Thatwillhaveahighvalueofproduction.

Theresultsshowthat:

（1）Byplatingprocess,anapproximately40μmNicoatingofwhichdifferentchangesofthicknessintheordinaryalloysteelsubstratesurfacepreparationarearousedbecauseofavarietyoffactorsintheoutsideworld.

（2）Bysolidhigh-temperaturediffusionaluminizingtothesampleafternickel-plated,acontinuouscoatingiselectrodeposited.Inthedistanceof35μmfromthesurfaceofthesample,theprimaryphaseisNi2Al3.Intherangeof35μmto55μmfromthesurfaceofthesample,itisathetransitionzone（threeelementsco-exist）.Beyondtherangeof55μmfromthesamplesurface,itistheregionfortheFematrix.

金属间化合物性能介于金属和陶瓷之间[1]，在强度、硬度、化学稳定性和高温稳定性等方面都非常优越，但韧性普遍较差，多用来与普通的金属或合金复合，也可单独用于普通金属或其合金难以应用的高载荷、高温或腐蚀环境。

将金属间化合物用于材料的表面涂层，不仅可以改善材料的表面性能，有效地延长其使用寿命，而且能节约资源、提高生产效率、减少环境污染，具有非常可观的经济效益和社会效益。

1．1Ni-Al系金属间化合物涂层的研究开发现状

1.1.1金属间化合物的性能特点

在合金中，除固溶体外的合金相，凡位于相图中间位置的统称中间相，又称金属间化合物，它一方面具有化合物的特点，另一方面又兼有固溶体的特性。

金属间化合物（IntermetallicsCompounds，IMC），主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素之间形成的化合物，其特点是各元素之间既有化学计量的组分，又可在一定范围内变化，从而形成以化合物为基体的固溶体。

当两种金属以整数比（或接近整数比的一定范围内）形成化合物时，由于其结构与构成它的两金属结构不同，从而形成有序的超点阵结构。

金属间化合物不仅有金属键，还具有共价键，共价键的出现，使得原子间的结合力增强，化学键趋于稳定，赋予材料高熔点、高硬度的特性。

此外由于结构中原子间的结合力强，扩散减慢，导致蠕变激活能提高，所以金属间化合物还具有高的抗蠕变性能。

金属间化合物高的长程有序结构减少了滑移系统，抑制了交滑移过程的进行，从而降低了循环加载过程中裂纹萌生的可能性，表现出高的疲劳寿命。

有序金属间化合物在氧化气氛中还能生成致密的氧化膜，因而具有良好的抗氧化性。

由此可见，金属间化合物兼有金属较好的塑性和陶瓷良好的耐磨性、耐腐蚀性和高温强度，以及刚度高、弹性模量高、密度低等特点，是航空航天、工业燃气轮机和汽车工业中最具潜力的结构材料之一。

金属间化合物不仅可以用作高载荷、高温和腐蚀环境下的结构材料，还由于某些金属间化合物具有光、电、声、磁等特殊物理性能，而使其成为颇具潜力的功能材料，如半导体材料、超导材料、磁性材料等。

1.1.3Ni-Al金属间化合物及其涂层

图1-1Ni-Al二元相图[7]

图1-1为Al-Ni二元相图。

在Ni-Al体系，在室温存在稳定的NiA13,Ni2A13,NiAl,Ni5A13和Ni3A1五种金属间化合物[1]。

在这些金属间化合物中，研究最多的是Ni3Al。

Ni3Al[8]是一种具有L1型晶体结构的长程有序金属间化合物，在十分接近其熔点时还能保持高度有序。

其晶格常数a=0.3561nm，熔点为1390℃，密度为7.50g/cm3，杨氏模量为180GN/m2，电阻率为32.59×10-8m，热导率为28.85W/m•K。

Ni3A1之所以成为研究的热点，首先，它在传统上是Ni基高温合金中最重要的强化相，这是因为它既有良好的抗氧化性能，又有优异的高温强度之故。

其次，通常认为金属间化合物又硬又脆，但在面心立方基、体心立方基、或密排六方基等结构比较简单的金属间化合物中，很多也是可以变形的。

而在一定温度范围内，随温度升高，强度反而增加的金属间化合物也不鲜见。

镍基高温合金中必不可少的Ni3Al强化相就是这种金属间化合物的一个实例。

“屈服反常现象”[4]是首先在Ni3A1中发现的，即在一定温度范围内，其屈服强度会随温度上升而增加，如图1-2所示，这种与普通材料不同的特性对开发高温结构材料的研究人员来说自然有吸引力。

第三，1979年日本学者和泉修[1]（Izumi）等人发现添加微量B（硼）对多晶Ni3A1有显著的韧化效果，使对Ni3A1的研究热度再度高涨。

图1-2Ni3Al的0.2%屈服强度随温度的变化

Ni2Al3的特点：

铝的质量分数为55%-60%，晶胞呈棱方点阵。

它的熔点为855~1133℃。

具有优异的抗氧化性能。

采用高温扩散，可将其转变为NiAl相。

加拿大Windsor大学的YuquanDing等人[11]采用物理气相沉积技术制备Ni-Al金属间化合物涂层，并对其微观结构和机械特性进行了一系列的分析，X射线研究表明，NiAl涂层的成分是粒径为10nm左右的Ni-Al金属间化合物纳米晶体，通过摩擦实验得出其摩擦系数为0.23，较之铝合金的摩擦系数0.28要小。

淮阴工学院的章跃[12]等人用射频磁控溅射法及一个由纯Ni和纯Al复合的特制靶材制备NiAl涂层，该涂层厚约10μm，硬度和弹性模量分别为11.52GPa和143.42GPa。

研究表明，涂层的高硬度、低的表面粗糙度、较好的抗氧化性能及与基体之间良好的粘附性能是涂层具有良好耐磨性能的主要原因。

3）化学热处理

化学热处理[1]是利用固态扩散使其他元素渗入金属工件表面的热处理工艺，也称之为固态扩渗热处理。

化学热处理是将工件放在含有渗入元素的活性介质中，加热到一定温度后进行保温，使渗入元素被吸附并扩散渗入表面层，改变表面层化学成分，致使工件表面层的组织结构和性能发生变化。

形成渗层的结构遵守相图，结构是连续的，属于冶金结合。

Ni-Al涂层同样可以通过渗铝的方法来制备。

渗铝方法可以分为渗铝和涂覆扩散渗铝[13]两类，渗铝主要是粉末固体渗铝。

固体粉末法渗铝，由于渗铝件被渗剂包围，漏渗少，容易获得致密的渗层，且设备简单，易于操作，故获得广泛应用[47]。

固体粉末法渗铝获得的渗铝层组织和性能不仅与渗剂的成份有关，而且还与渗铝温度和保温时间以及被处理工件的化学成份有关[48]。

涂覆扩散渗铝是在工件表面热涂一层铝，再进行扩散退火。

华东理工大学的黄志荣等人[49]采用固体粉末渗铝工艺在HK40钢表面制备了渗铝层，试验结果表明，该渗铝层是由NiAl相和Ni3Al相组成，合金表面的抗碳化腐蚀能力得到明显的提高。

哈尔滨工程大学的杨世伟等[50]采用料浆法在K4104合金表面进行热扩散渗铝，在1009℃经200h的高温氧化性试验，用扫描电镜观察氧化后涂层的表面形貌。

结果表明，渗Al涂层在氧化过程中已转变成连续致密的α-Al2O3氧化层和富铝的β-NiAl化合物层，使基体合金得到有效的保护，渗Al涂层具有良好的抗高温氧化性能。

华中理工大学激光技术国家重点实验室与西安交通大学机械学院合作采用5kWCO2激光器对合金表面的Ni-WC等离子涂层进行了熔覆处理。

实验结果表明，激光熔层中的组织以镍铝基的金属间化合物Al3Ni、Al3Ni2、NiAl和Ni3Al为主。

D.K.Das等人[26，27，28]在纯Al上先等离子喷涂50μm的Ni合金化层，然后进行激光合金化处理。

这些Ni基合金化层组织的相结构都是Al-Ni平衡相图上的平衡相，主要有Ni在α-Al中的固溶体、Ni2Al3、NiAl3、NiAl等，其形状有枝晶状、团状、网状等，极大地提高了涂层的硬度和耐磨性。

6）燃烧合成法（combustionsynthesis,CS）[16]

在粉末组元间利用强烈的放热反应而形成某一复合物的方法叫燃烧合成法。

它分为高温自蔓延和热爆两种方式。

燃烧合成法的突出优点是工艺简单、成本低，并且界面干净。

其缺点是产物致密度较低。

利用容易获取且廉价的元素粉末，采用低温燃烧合成技术制备Ni-Al系合金，目前受到国内外研究者的重视。

上海交通大学的姜东涛等[29]采用在合成过程中加压的方法，比较好地解决了反应产物致密度较低的问题，所制备的NiAl-28Cr-6Mo,NiAl-28Cr-6Mo-8TiC，NiAl-28Cr-6Mo-16TiC三种复合材料的致密度为94%~99%。

除制备复合材料外，燃烧合成技术还可用于连接高温结构材料。

C.Pascal等人[30，31]对NiAl与Ni基超合金的SHS连接进行了研究。

采用了等分子比混合的Ni粉和Al粉为中间层实现了这两种材料的原位连接。

对连接偶[（压实的Ni+A1）/Ni基超合金基体]加热到920K时发生了Ni+Al→NiAl的放热反应。

该反应使填充物的温度迅速升高并且很快达到了绝热条件下NiAl的熔化温度（1950K），极大的热量迅速传递给了母材基体并且使其表面熔化，这能够提高填充物在母材表面的润湿性并能够部分溶解NiAl化合物。

他们也对NiCrAlY与Ni基超合金的SHS连接进行了研究，希望寻找一种新方法，在Ni基超合金基体上应用SHS方法产生耐蚀合金NiCrAlY。

实验表明，NiCrAlY层为β-NiAl（溶解了少量的Cr）沉淀分散于NiCr固溶体结构。

接头的显微硬度测试结果与通常的NiCrAlY涂层基本相当，连接的机械性能比预期的要好。

9）扩散结合法

扩散是一种迁移的过程，它是由于热运动所引起的物质的传递。

由于热起伏的存在，晶体中的某些原子或离子通过剧烈的热振动而脱离格点进入晶格中的间隙位置或晶体表面，同时在晶体内部留下空位；而且，这些处于间隙位置上的原子或原格点上留下来的空位可以从热涨落的过程中重新获取能量，从而在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁移运动，这就是晶格中原子或离子的扩散。

扩散现象是由于物质中存在浓度梯度、化学位梯度、温度梯度和其它梯度所引起的物质输运过程。

扩散有4种不同的扩散途径:

体扩散（晶格扩散），表面扩散，晶界扩散和位错扩散。

后3种扩散都比第一种快，又称为短路扩散。

扩散结合法是制造连续纤维增强金属基复合材料的最通用的方法。

它的工艺是：

把预加工纤维条带或散纤维夹在金属薄片或箔片之间，并在真空或惰性气体中依靠加热或加压使其固结成完全致密的复合材料。

任何不均匀（包括成分、结构）的材料，在热力学条件允许的情况下，都将趋向于均匀化。

金属中原子的扩散可以通过不同途径及方式进行，在高温（1～0.7Tf熔点）原子主要在点阵中扩散，称为体扩散；在中、低温（<0.5Tf）主要易在表面及晶界扩散，称为表面扩散。

二元合金中两类固溶体中原子扩散的微观体制是在间隙固溶体中间隙原子在溶剂点阵中的扩散、以及在置换式固溶体中溶质原子在点阵中的扩散。

根据具体工艺不同，扩散结合法又可以分为“粉末布（PowderClothe）”法、箔纤维法和热喷涂法等[4]。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）用此工艺制成了Ni3AI/Al2O3纤维复合材料。

先用一特殊模具把中心箔片压成波纹状，然后把SaphikonAl2O3单晶纤维（直径150μm）放在每个沟纹中，再上下放上Ni2Al箔片，经1150℃～1225℃,50MPa下真空热压1h，即制成金属间化合物[37]。

利用NiAl抗氧化性能好的优点，日本学者在310S合金表面分别电镀了Ni、Al（Al在外），并在1023K，Ar气下进行热处理，使之生成NiAl，A13Ni2和富Al层的复合镀层后进行了氧化实验，证明其具有良好的抗氧化性能[38，39]。

11）热喷涂

热喷涂是利用某种热源将涂层材料加热到熔融或半熔融状态，同时借助于焰流或高速气体将其雾化，并推动这些雾化后的粒子喷射到基体表面，沉积成具有某种功能的涂层技术[16]。

根据热源分类，它包括：

熔体喷涂、火焰喷涂、电能喷涂和高能束喷涂。

涂层中存在残余应力是热喷涂涂层的特点之一。

残余应力是由于撞击基材表面的熔融态变形颗粒的冷凝收缩产生微观应力的累积形成的。

涂层中存在的残余应力影响涂层的质量，限制了涂层的厚度。

热喷涂技术的应用较为广泛，Deevi通过反应等离子喷涂技术在铜材表面喷涂了Ni、Al粉[17]，实验结果表明：

当喷涂粒子通过等离子焰时，Ni和A1间反应放出大量的热，放热量取决于反应时Ni占的原子比例，经观察形成NiAl时其反应热至少100000K/min，因此必然发生Al熔化和Ni（固相）和A1（液相）间的扩散反应。

但粒子在火焰中的停留时间很短限制了Ni和A1间的接触和扩散，放热扩散反应可能当A1的熔滴沉积到基体上时才发生。

Ni和A1反应可形成具有良好高温性能的高熔点金属间化合物，经过多级反应，最后涂层中包含有Ni、A1、Ni3Al、NiA13、Ni5Al3、NiAl等相。

山东大学的郭国林等人[19]，用氧-乙炔亚音速火焰喷涂工艺对高炉铜质风口套表面喷涂耐高温、耐磨材料，用镍包铝自粘结性合金粉末作为喷涂打底层，在喷涂过程中，镍与铝发生剧烈的铝热反应，生成金属间化合物Ni3Al、NiAl等，并放出大量的热，较大改善了工件表面的硬度和耐高温性。

此外，英国剑桥大学的Hearley]等人[18]，使用高速氢氧基燃料热喷涂（HVOF）法制备的Ni-Al涂层具备较好的防腐性能。

西安理工大学的冯拉俊等人[20]，利用等离子喷涂方法制备了NiAl-Al2O3梯度陶瓷涂层，并对涂层的组织分布、结合强度、显微硬度和抗热震性进了试验研究。

结果表明：

由于NiAl金属间化合物过渡层的宏观不均匀性和微观连续性，其引入可有效地改善涂层的质量。

Ni-Al金属间化合物涂层的制备方法（8）: