0Cr18Ni9Ti不锈钢表面等离子渗锆合金层的研究

2013-12-16 蔡航伟桂林电子科技大学

　　利用辉光等离子渗金属技术，在0Cr18Ni9Ti不锈钢表面形成渗Zr合金层，探讨了极间距、气压、保温温度、源-阴极电压差、保温时间对渗Zr合金层厚度的影响，进而优化工艺参数，并对合金层的金相组织、元素分布及物相组成进行分析。优化工艺参数为：极间距30mm，工作气压35Pa，保温温度1060℃，源-阴极电压差300V，保温时间5h，所获渗层厚度为65μm;Zr在渗层中呈梯度分布，渗层组织为柱状晶，且与基体呈良好的冶金扩散结合。

　　0Cr18Ni9Ti不锈钢具有优良的耐腐蚀性、焊接性及综合力学性能，在航空航天、化工、原子能等行业中得到了广泛应用。然而因其承受的最高使用温度只有800℃左右，高温氧化问题已成为制约其应用于高温环境的重要因素。而Zr是强碳化物形成元素，形成的碳化物稳定性、硬度、耐磨性和抗氧化性能均较好，Zr的氧化物更因具有高熔点、高硬度、高强度、耐磨损、耐腐蚀、耐高温等优良性能可作为良好的热障材料。因此，采用等离子渗金属技术在0Cr18Ni9Ti不锈钢表面渗Zr，再进行氧化处理在其表面形成ZrO2改性层，可明显提高其抗高温氧化性。而渗Zr时工艺参数会通过改变活性Zr原子的溅射、输运及吸附扩散能力，来影响渗Zr合金层的厚度及微观组织结构，进而对合金层的使用性产生影响，因此优化工艺参数对形成良好的渗Zr合金层至关重要。本文探讨了工艺参数对渗Zr合金层厚度的影响，并对最优工艺参数下的渗层分别进行金相组织、成分、物相等检测。

1、试验部分

　　试验材料：源极为长方形锆板，其尺寸为：100mm(长)×50mm(宽)×5mm(厚)，纯度为99.99%，试验前需将源极打磨清理干净。试样基材为0Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，试样化学成分(质量比)为：Cr17.00%～19.00%，C≤0.07，Ni8.00%～11.00%，Ti5C约0.07%，Mn≤2.00%，Si≤1.00%，P≤0.035%，S≤0.030%，其余为Fe。尺寸为35mm×10mm×3mm。装炉前，需将试样经不同型号的水砂纸打磨，并用抛光机抛光，再用超声波清洗干净并烘干。

等离子渗金属设备原理图

图1 等离子渗金属设备原理图

　　试验方法：采用DGLT-15型多功能离子化学热处理炉进行渗Zr处理(渗Zr原理如图1所示)，辅助阴极采用尺寸为210mm×150mm×180mm的长方形碳钢盒，将试样与锆板悬挂置于辅助阴极内，并加上盖板以隔热保温。渗Zr的工作温度通过WDL-31型光电温度计进行测试;调节源极电压、工件电压与气压，实施升温、保温的渗入工艺。渗Zr后，将试样随炉缓冷至室温。在源极电压-800～-1000V，阴极电压-500～-700V，源-阴极电压差300V，占空比0.2～0.8，工作气压30Pa，保温温度1020℃，保温时间5h的条件下，选择极间距为20，25，30，35mm进行渗Zr处理，根据极间距对渗Zr合金层厚度的影响来优化极间距。之后，保持其它工艺参数不变，采用优化极间距，选择工作气压25，30，35，40Pa进行渗Zr处理，根据工作气压对渗层厚度的影响来优化工作气压。接着，选择保温温度980，1020，1060，1100℃，根据保温温度对渗层厚度的影响来优化保温温度。同理，在优化的极间距、工作气压、保温温度下，分别选择源-阴极电压差250，300，350，400V，保温时间为4，4.5，5，5.5，6h，进行单因素实验，工艺参数如表1所示，以优化源-阴极电压差与保温时间。

表1 等离子渗锆工艺参数

等离子渗锆工艺参数