包渗时间对Cu表面NiAl涂层组织和性能的影响

包渗时间对Ｃｕ表面Ｎｉ—Ａｌ涂层组织和性能的影响５３

选用２００目工业纯铝粉为主渗剂，以鸡蛋清作为黏结剂，ＮＨ。Ｃｌ作为活化剂，按Ａ１粉与ＮＨ。Ｃｌ的质量比３：１分别称取铝粉和ＮＨ。Ｃ１放入研钵中，研磨５ｍｉｎ，使混合均匀，然后加入适量的鸡蛋清，用玻璃棒搅拌均匀，调制成浆料。将浆料涂覆于试样Ｎｉ镀层表面，放入８０℃真空干燥箱中干燥１ｈ取出，再放入自制的真空电阻炉中，抽真空，用纯度为９９．９９％的氩气洗炉三次，然后通人氩气，升温至８００℃，保温时间分别为１２，２４，４８，７２ｈ，随炉冷却后取出试样。

采用ＦＥＩＳＩＲＩＯＮ场发射扫描电镜（ＳＥＭ）配能谱分析仪（ＥＤＸ）分析渗铝层表面和断面成分；采用０一ＬＹＭＰＵ§Ｂ２０２型金相显微镜观察金相组织；渗铝层的相结构用Ｘ射线衍射（ＸＲＤ）仪分析；渗铝层断面的显微硬度用ＨＶ孓１０００型显微硬度计测试，所加载荷为１－９６Ｎ，加载时间１５ｓ。

２结果与讨论

２．１保温时间对渗铝层成分和组织的影响

涂覆渗铝剂浆料的试样在８００℃分别保温１２，２４，４８，７２ｈ进行渗铝处理后，表面平整，无烧结现象。用超声波清除附着在试样表面的残余渗剂，抛光、腐蚀（腐蚀剂：ＨＮＯ。：ＨＣｌ＝３：１，体积比）后，所观察到的涂层表面金相组织如图１所示。从图１可看出，随着保温时间的延长，晶粒长大。保温时间１２ｈ，晶粒细小；保温２４ｈ后，晶粒明显长大；超过２４ｈ后继续保温，晶粒长大不明显。

渗铝层表面的Ｘ射线衍射图谱如图２所示。分

图１８００℃下不同保温时间渗铝后涂层表面的显微组织（ａ）１２ｈ；（ｂ）２“Ｉ（ｃ）４８ｈｌ（ｄ）７２ｈＦｌｇ．１Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏａｔｉｎｇａｔ８００℃ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏＩｄｉｎｇｔｉｍｅ

（ａ）１２ｈ；（ｂ）２４ｈ；（ｃ）４８ｈ；（ｄ）７２ｈ

析结果表明渗铝时间在７２ｈ内，渗层组织为单相Ｎｉ。Ａｌ。金属间化合物。

２．２保温时间对扩散层厚度与Ａｌ扩散系数的影响为了进一步分析Ａｌ原子在Ｎｉ镀层中的扩散情况，对渗铝层截面的Ｎｉ，Ａｌ元素进行ＥＤＸ能谱分析，元素分布谱线如图３所示，从图３可看出，随着保温时间的延长，Ｎｉ／ＮｉｚＡＩ。界面处的浓度梯度变得比较平稳，扩散层加厚。渗铝层截面中Ｎｉ，Ａｌ元素原子分数见表１。从表１列出的渗层截面中Ｎｉ，Ａｌ元素原子的能谱结果，可以看出随着保温时间从１２ｈ增加到７２ｈ，涂层中Ｎｉ元素的含量由３５．５９％（原子分数，下同）升高到３９．０３％，相应的Ａｌ元素的含量则由６４．４１％下降到６０．９７％。根据Ｎｉ—Ａｌ二元相图［１５３判断，涂层的成分均在ＮｉｚＡＩｓ（Ｎｉ２Ａ１。相中的Ａｌ原子分数为５７％～６４％）相区范围内，这与ＸＲＤ测试的结果相一致。从表ｌ结果看，从渗铝层表面到内部，Ａｌ元素和Ｎｉ元素分别存在一定的浓度梯度，Ａｌ元素浓度随扩

散层厚度的增加而降低，Ｎｉ元素则随扩散层厚度的增　

５４材料工程／２００８年８期

图２８００℃下经不同保温时间渗铝后涂层

表面的ｘ射线衍射图谱

Ｆｉｇ．２ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｃｏａｔｉｎｇａｆｔｅｒａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇａｔ８００℃ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅ加而增加。

渗铝过程中的固态扩散，即活性Ａｌ原子由Ｎｉ镀层表面向体内扩散是按照菲克定律进行的，扩散时间与渗层厚度的关系可用Ｆｉｃｋ第二定律描述‘１６］：

襄＝未『＿Ｄ毫］㈣

磊２瓦Ｉ∥瓦ｌｕ，其高斯解为：

掣＝，…ｆ［赤］㈣

ｆｏＺ√肼ｌ

进一步求解得：

ｚ２—４志Ｄ￡（３）式中：ｃ（ｚ，￡）为经￡时间扩散后，渗层中离基体距离ｚ

图３８００℃涂层截面Ｎｉ，Ａｌ元素经不同保温时间后扩散的ＥＤＸ谱线

（ａ）１２ｈ；（ｂ）２４ｈ；（ｃ）４８ｈ；（ｄ）７２ｈ

Ｆｉｇ．３ＥＤＸｐａｔｔｅｒｎｓｏｆＮｉａｎｄＡｌｅｌｅｍｅｎｔｓｄｉｆｆｕｓｉｏｎｉｎｃｍｓｓ—ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｃｏａｔｉｎｇａｔ８００℃ｆｏｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｏｌｄｊｎｇｔｉｍｅ

（ａ）１２ｈ；（ｂ）２４ｈＩ（ｃ）４８ｈ；（ｄ）７２ｈ

处渗入元素的浓度；“为基体金属表面含有渗入元素的原始浓度；ｅｒ‘ｌｒ南面ｌ为高斯误差函数；ｚ为单相扩散层的深度，近似地可视为渗层厚度（ｍｍ）；Ｄ为扩散系数（ｍ２?ｓ－１）；￡为扩散时间（ｈ）；走为常数（通常取１）。

式（３）表明，对于受扩散控制的渗镀过程来说，渗层厚度的平方与扩散时间呈正比，呈抛物线关系。保温时间和渗层厚度的关系见图４。从图４可以看出，渗铝层厚度随保温时间的延长而增加。渗层厚度一保温时间曲线为一抛物线。

根据式（３）计算出的扩散系数值列于表２中。可以看出，扩散系数随着保温时间延长而降低。这可能是由于保温时间的延长，使Ｎｉ。Ａｌ。层厚度增加，Ａｌ扩散的距离和阻力增加，导致了扩散系数的降低。在本实验条件下，随着保温时间延长，渗铝剂不断消耗，由浓度差产生的扩散驱动力减小，式（３）中的是减小，也

会导致扩散速度降低。　

包渗时间对Ｃｕ表面Ｎｉ—Ａｌ涂层组织和性能的影响５５

Ｉ一一一一一

／

。／

／

．Ｉ

一？ｌ‘

ＨＯｌｄｉｎｇｔｈｍ／ｈ

图４８００℃保温时间对试样涂层厚度的影响

Ｆｉｇ．４Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇ

ｈｏｌｄｉｎｇ

ｔｉｍｅｏｎｔｈｉｃｋｎｅｓ５ｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇａｔ８００℃

表２保温时间与Ａｌ在Ｎｉ镀层中的扩散系数Ｔａｂｌｅ２ＨｏｌｄｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＡｌｉｎＮｉｐｌａｔｉｎｇ

Ｈ０１ｄｉｎｇ

ｔｉｍｅ／ｈ

图５保温时间对试样涂层显微硬度的影响

Ｆｉｇ．５Ｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｌｕｍｉｎｉｚｉｎｇｈ０１ｄｉｎｇｔｉｍｅｏｎ

ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏａｔｉｎｇ

为ＨＶ７０和ＨＶｌ２０，渗Ａｌ后的Ｎｉ镀层的显微硬度平均值为ＨＶ８００（保温２４ｈ），远远大于Ｎｉ镀层和Ｃｕ基体。

ＴｈｅｄｉｆｆｕｓｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＡｌ

翌竖型粤ｎｇ／哆’二？３结论８．３５６×１０一６

１．８５２Ｘ１０—６

１．７５１×１０—６

１．７３２×１０一８

２．３保温时间对涂层显微硬度的影响

涂层截面的显微硬度和保温时间的关系如图５所示。可以看出涂层的显微硬度随着保温时间的延长先降低然后升高。随着保温时间的延长，一方面，晶粒长大，晶界减少，位错滑移阻力减小，容易产生塑性变形，导致渗铝层的显微硬度降低；另一方面，Ｎｉ。Ａｌ。相中的Ｎｉ元素含量增加使显微硬度增大。保温时间在２４ｈ内，显微硬度的变化主要由晶粒尺寸主导；保温时间超过２４ｈ后，显微硬度的变化主要受ＮｉｚＡｌ。相中Ｎｉ，Ａｌ元素含量的变化影响。

经测定Ｃｕ基体和Ｎｉ镀层显微硬度平均值分别

（１）采用电镀镍和料浆包渗铝工艺，可以在铜表面制备具有过渡Ｎｉ层和表面Ｎｉ。Ａｌ。金属间化合物的复合涂层。

（２）涂层晶粒随着保温时间延长而长大，在保温１２ｈ后，晶粒长大迅速；保温时间超过２４ｈ后，晶粒长大速度减慢。

（３）随着保温时间的延长，Ｎｉ：Ａｌ。相中的Ｎｉ元素含量增加，Ａｌ元素含量减少。

（４）Ａｌ的扩散系数随保温时间的延长而降低。

（５）渗铝层的显微硬度受晶粒尺寸和Ｎｉ。Ａｌ。相中的Ｎｉ元素含量的影响呈先下降后上升的趋势。

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包渗时间对Cu表面Ni-Al涂层组织和性能的影响

作者：王红星， 盛晓波， 储成林， 董寅生， 林萍华， WANG Hong-xing， SHENG Xiao-bo，CHU Cheng-lin， DONG Yin-sheng， LIN Ping-hua

作者单位：王红星,盛晓波,储成林,董寅生,WANG Hong-xing,SHENG Xiao-bo,CHU Cheng-lin,DONG Yin-sheng(东南大学,南京,211189)， 林萍华,LIN Ping-hua(东南大学,南京211189;河海大学

,南京210098)

刊名：

材料工程

英文刊名：JOURNAL OF MATERIALS ENGINEERING

年，卷(期)：2008，""(8)

被引用次数：0次

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