α-Al2O3-Al-Cr合金涂層的低溫制備及相關(guān)機(jī)理研究.pdf

1、α-Al2O3具有熱力學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨、耐高溫、抗氧化腐蝕等優(yōu)良性能，因而被廣泛用作金屬防腐蝕膜、刀具保護(hù)涂層等。在熱核聚變計劃(ITER)中，α-Al2O3膜因具有優(yōu)異的阻氚能力，被優(yōu)先選擇為阻氚涂層。然而，傳統(tǒng)的方法中，α-Al2O3的制備溫度高達(dá)1000℃，這不但需要消耗大量的能量，更重要的是會降低基體材料的力學(xué)性能。因此低溫制備α-Al2O3膜成為一個亟需解決的課題。此外，如何使α-Al2O3膜具有自修復(fù)性能，也是一個重

2、要的工程問題。
　　本文用離子液體電沉積法制備Al/Cr復(fù)合鍍層及薄膜，采用XRD、SEM、EDS、DTA、XPS、FIB、TEM等手段，研究了Al/Cr復(fù)合薄膜的互擴(kuò)散及其Al-Cr合金的相組成、Al-Cr合金涂層與不銹鋼基體的互擴(kuò)散、不銹鋼上Al-Cr涂層的低溫?zé)嵫趸懻摿甩?Al2O3膜的形成機(jī)理，得出以下結(jié)論:
　　對成分為16.0 at.％Cr(Al11Cr2)的Al/Cr復(fù)合薄膜的研究結(jié)果表明:在低于Al熔點溫

3、度下5min熱處理，540℃時Al層和Cr層之間已形成固溶層，640℃時Al反應(yīng)完全，但Cr有殘留;在高于Al熔點的690℃溫度下5 min熱處理，Al層、Cr層已完全反應(yīng)，形成由Al7Cr、Al4Cr、Al11Cr4和Al9Cr4組成的多相合金。690℃下不同時間熱處理，Al、Cr擴(kuò)散的初始形成相為Al7Cr，隨著熱處理時間的延長，靠近Cr層的界面成分由Al7Cr變?yōu)锳l4Cr。Cr層反應(yīng)完全后，原始Cr層外側(cè)的界面成分依次由高Cr含

4、量的合金層轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Φ虲r的合金相:Al9Cr4→Al11Cr4→Al4C，而原始Al層外側(cè)的界面成分一直為Al7Cr;最終復(fù)合薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)橛葾l7Cr和Al4Cr相組成的合金。而該成分的薄膜經(jīng)820℃、2h熱處理，得到以Al11Cr2相為主的合金。證明Al/Cr復(fù)合薄膜低溫?zé)崽幚聿粫纬葾l11Cr2。此外，成分為25.4 at.％ Cr(Al11Cr4)的Al/Cr復(fù)合薄膜經(jīng)熱處理形成Al11Cr4單相，證明了Al-Cr相圖中Al11

5、Cr4相區(qū)的存在，該相可分解為Al4Cr和Al8Cr5，分解的起始溫度為829℃。
　　對1Crl7鐵素體不銹鋼基體上成分為31 at.％Cr(Al9Cr4)的Al/Cr復(fù)合鍍層的研究結(jié)果表明:通過540℃～650℃熱處理5min～4h，最外層的合金層依次為Al、Al4Cr、Al11Cr4相，最內(nèi)層的合金依次為Al7Cr、Al4Cr、Al9Cr4和Al8Cr5，得到具有多相合金的Al-Cr涂層;但在690℃～740℃熱處理4h，A

6、l-Cr涂層與基體發(fā)生互擴(kuò)散。研究熱處理時間對互擴(kuò)散的影響，一旦和1Crl7基體相鄰的Al-Cr合金層轉(zhuǎn)變?yōu)锳l9Cr4時，Al-Cr涂層與基體發(fā)生互擴(kuò)散，形成Al-Cr-Fe涂層;并且，隨熱處理時間延長，涂層中的Al會不斷向基體擴(kuò)散，使涂層的組成向高Cr含量轉(zhuǎn)變。即使溫度低至600℃，熱處理25h后，Al9Cr4也會與基體發(fā)生互擴(kuò)散。對1Crl7基體上成分為13.0at％Cr(Al7Cr)和19.0 at.％Cr(Al4Cr)的Al/

7、Cr復(fù)合鍍層，在600℃低溫下短時間熱處理，當(dāng)與基體相鄰的Al-Cr合金層轉(zhuǎn)變?yōu)锳l11Cr4時，Al-Cr涂層與基體發(fā)生互擴(kuò)散。此外，當(dāng)基體為316L奧氏體不銹鋼時，即使涂層成分為Al8Cr5，Al-Cr涂層也會與基體發(fā)生互擴(kuò)散。
　　在1Crl7鐵素體不銹鋼基體上制備成分為40.0 at％ Cr(Al8Cr5)的復(fù)合鍍層，經(jīng)740℃熱處理16h，成功制備出Al8Cr5涂層;表面機(jī)械打磨的Al8Cr5涂層在720℃氬氣氣氛下氧化