純鐵表面原位合金化的研究.pdf

1、材料表面經(jīng)過表面機械研磨處理(surface mechanical attrition treatment，SMAT)后可形成具有一定厚度的納米擴散層。在SMAT過程中鋼球以一定的頻率重復(fù)撞擊材料表面，從而使得材料表面發(fā)生塑性變形，表面產(chǎn)生大量應(yīng)力應(yīng)變能、非平衡晶界、晶體缺陷（空位、位錯等），這些均可以促進元素的擴散。機械合金化(Mechanical Alloying，MA)技術(shù)是使兩種或者兩種以上粉體經(jīng)過高能球磨后實現(xiàn)元素合金化的方法

2、，其原理是粉體在經(jīng)過不斷的搓揉、破碎、焊合的作用后發(fā)生擴散反應(yīng)而形成合金。本篇論文利用SMAT和MA兩種技術(shù)的特點，在材料進行SMAT過程中添加不同的粉體，以期通過彈丸持續(xù)撞擊材料表面而在材料表面同時達到納米化和元素擴散合金化的效果，繼而在材料表面原位形成合金化。
　　本文在純鐵基體表面進行SMAT時，依次添加Ni粉、Cr粉、Zn粉及Al粉，通過金相顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜分析(EDS

3、)、輝光放電測試儀(GDS)、電化學工作站等材料分析檢測方法，對添加不同的粉體、不同的SMAT時間后純鐵的表面形貌、橫截面組織結(jié)構(gòu)、表面物相組成、表面耐蝕性等進行探討分析，分析了添加元素與基體形成擴散合金層的影響因素，最后從熱力學角度簡單計算了SAMT添加元素在基體上的擴散系數(shù)。
　　得到的主要結(jié)論如下:
　　(1)純Fe/SMAT/Ni120min和200min后，得到表面晶粒尺寸分別為～25nm、～17nm及厚度分別為～

4、30μm、50～100μm的擴散層，SMAT120min后擴散層的成分為FeNi，SMAT200min后擴散層的成分從表面到心部依次為Ni、FeNi3、FeNi、純Fe，對其耐蝕性能研究顯示SMAT后試樣的腐蝕電極電位有所提高，SMAT200min后試樣的耐蝕性比SMAT120min的佳，SMAT后擴散系數(shù)增大。
　　(2)純Fe/SMAT/Cr120min后形成表面晶粒尺寸為～19.4nm、厚度為～50μm、成分為Fe(Cr)固

5、溶體的擴散層，處理時間延長至240min時，形成的擴散層厚度最高～110μm，表面晶粒細化至～12nm，試樣表面粗糙度隨著SMAT時間的延長而增大，表面存在未被Cr粉覆蓋的區(qū)域，對其耐蝕性能研究顯示，與SMAT120min和SMAT200min相比，表面去掉Cr層處理后可以提高試樣的腐蝕電極電位，SMAT后試樣耐蝕性有所下降，擴散系數(shù)增大。
　　(3)純Fe/SMAT試樣添加不同粉體后擴散機理為:相同之處在于當粉體鑲嵌于基體表面后

6、，由于彈丸應(yīng)力作用粉體將焊合于基體表面，SMAT后表面高體積晶界及產(chǎn)生的缺陷為元素的短路擴散提供通道;彈丸高速重復(fù)撞擊試樣表面使得試樣和粉體的表面不斷出現(xiàn)裸露新界面，粉體與基體Fe的焊合點增多;在SMAT過程中基體不斷吸收彈丸撞擊帶來的能量使得基體產(chǎn)生高應(yīng)變及高應(yīng)變能，從而降低了活性原子遷移能壘;最后彈丸碰撞產(chǎn)生的熱量和反應(yīng)放熱均能加快原子的擴散，這是純鐵添加Ni粉和Cr粉機械研磨處理擴散機理的相同之處，不同之處在于純Fe/SMAT/N

7、i原子擴散與基體形成的是Fe-Ni系化合物，而純Fe/SMAT/Cr原子擴散與基體形成的是Fe(Cr)固溶體，而且擴散層的厚度也不盡相同。
　　(4)純Fe/SMAT/Zn不同處理時間試樣表面和純Fe/SMAT/Al120min試樣表面均未形成相應(yīng)的合金擴散層或固溶體擴散層，失敗的原因可歸結(jié)為:鋅粉和鋁粉質(zhì)地較軟，在SMAT過程中呈層片狀粘附在基體表面上，因此很難獲得足夠的活性原子與基體發(fā)生焊合繼而擴散;純Fe/SMAT試樣形成擴