中碳鋼表面Fe-Al-Nb涂層顯微結構與力學性能研究

施 群，張花萍，姚正軍，周金堂

(1.鎮江立達纖維工業有限責任公司，江蘇 鎮江 212038) (2.南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇 南京 211106)

中碳鋼常用于制造強度較高的運動零件，如空氣壓縮機連桿、活塞，重型機械的軸、蝸桿、齒輪等，這些零件對材料的耐磨性能有著較高的要求。中碳鋼中含有大量金屬間化合物，這些化合物具有優異的耐磨及耐蝕性能，能夠顯著延長惡劣工作環境下的航天及石油化工裝備的服役壽命，因此受到極大的關注。Fe-Al合金由于其高比強度、優異的耐腐蝕和耐磨性能以及良好的耐大氣氧化和硫化性能，被認為是具有廣闊應用前景的結構和功能材料。然而，Fe-Al合金韌性差、成形困難、蠕變強度低等缺點嚴重限制了其在工業領域的應用[1-4]。研究表明，采用Fe-Al-Nb涂層等表面處理方法可有效解決Fe-Al合金加工過程中的變形問題。在各種表面涂層技術中，熱浸鍍是一種低成本的碳鋼表面改性方法[5-6]。由于用熱浸鍍工藝生成的涂層與基體之間結合力較強，目前該技術已被廣泛應用于鍍鋁鋼板制造中。此外，研究者發現添加適當的合金元素[7-8]可以進一步改善該類金屬間化合物涂層的硬度和脆性等力學性能[9]。研究發現，Ni元素可以通過沉淀強化、固溶強化、細晶強化等方式來增強Fe-Al涂層的綜合性能[4,10]，而添加一定量的Nb可以顯著提高Fe-Al合金的抗氧化性能[11]。然而有關添加Nb元素改善Fe-Al涂層力學性能的研究鮮有報道。本文采用熱浸鍍Al技術與雙輝等離子滲Nb技術在中碳鋼表面制備Fe-Al-Nb涂層，以此研究Fe-Al-Nb合金的顯微結構、相組成和力學性能，并分析其形成機理。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗選用15mm×15mm×7mm的45鋼作為基體材料，經過機械打磨、拋光后，再用酒精超聲清洗、吹干備用；熱浸鍍用鍍鋁材料為工業純鋁(99.7wt%)；雙輝滲金屬靶材為φ100mm×3mm的圓狀純Nb(99.99wt%)。

為了保證試樣和熔融鋁之間充分接觸，試樣浸漬在KF/AlF3混合水溶液中。干燥后的試樣浸沒在熔融鋁液中進行熱浸鍍處理，處理后的試樣放入RXL-120型的箱式電阻爐中進行真空擴散退火處理，其工藝參數見表1。

表1 熱浸鍍與熱擴散工藝參數

對擴散退火后的鍍鋁樣品表面氧化層進行去除處理，為雙輝等離子表面冶金滲Nb做準備。以純鈮作為提供合金元素的源電極，其工藝參數見表2。

表2 雙輝等離子表面冶金工藝參數

1.2 涂層表征

采用掃描電鏡(SEM)觀察涂層表面的微觀結構，并利用能量分散譜(EDAX)對涂層元素組成進行線性掃描半定量分析。

采用X射線衍射儀(XRD)對涂層進行物相結構分析，X 射線源采用Cu Kα靶，波長為0.154 056nm，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為10 (°)/min，掃描范圍為20°～90°。

1.3 力學性能測量

采用HXS-1000A顯微維氏硬度機對合金涂層的截面進行顯微維氏硬度測試，加載載荷100N，保持時間15s，自基體至涂層表面等距離選取測量點。

納米壓痕試驗在安捷倫G20 納米壓痕儀上進行涂層納米壓入試驗。采用WS-2006型涂層附著力自動劃痕儀對涂層進行結合強度的檢測，采用光學顯微鏡(OM)觀察納米壓痕和線性劃痕的形貌。

2 結果與討論

2.1 微觀組織、元素分布與物相組成

圖1顯示了利用熱浸鍍和雙輝光等離子體表面技術制備的Fe-Al-Nb涂層的表面形貌。從宏觀角度看，合金涂層致密均勻，表面形態呈無明顯裂縫的胞狀分布，表明涂層是以島狀生長模式形成的。

圖1 Fe-Al-Nb涂層表面顯微結構

圖2是Fe-Al-Nb合金涂層的截面形貌及其元素分布圖。如圖2(a)所示，涂層為層狀結構，厚度約為150μm，且涂層與基底結合緊密，呈冶金結合。EDS線掃分析結果如圖2(b) 所示，外部為厚度約15μm的光亮沉積層，主要為Fe-Al-Nb涂層；次外層厚度約90μm，主要為Fe-Al涂層；介于次外層與基體之間的過渡層為α-Fe(Al)固溶體層。由EDS線掃分析結果可以發現，表層Al、Nb元素含量由表及里呈先增后減分布，這與雙輝光等離子體表面合金化技術的固有特征有關。對該涂層的不同部位(A、B、C)進行 EDS 點分析，測得結果如圖2(c)所示。表面沉積層(即光亮沉積層)Nb 元素居多，擴散層(即次外層)中 Fe、Al 含量處于形成FeAl和Fe3Al相的區間，涂層與基體的結合處形成鐵鋁的固溶體，這與線掃描結果一致。

圖2 Fe-Al-Nb涂層截面顯微結構與元素組份

為了進一步研究涂層的物相結構，利用X射線衍射對Fe-Al-Nb涂層進行表征。如圖3所示，涂層顯示存在多相，包括純Nb、Fe2Al5、Fe3Al、AlNb2和Fe7Nb6。前期研究表明，Fe3Al和Fe2Al5在高溫環境下具有良好的性能，同時，新生AlNb2和Fe7Nb6相可以提高涂層的表面硬度，從而有效提高耐磨性。

2.2 力學性能

硬度是影響材料耐磨性的重要因素，反映了抵抗殘余變形和破壞的能力，也是反映彈性變形、塑性變形、拉伸強度、疲勞強度和耐磨性的綜合指標。圖4為Fe-Al-Nb涂層的截面壓痕形態和相應硬度的演變。由圖可見，涂層呈現出較高的表面硬度和較低的芯部硬度，可以滿足復雜應力條件下的要求。

圖3 Fe-Al-Nb涂層XRD結果

圖4 Fe-Al-Nb涂層硬度分布結果

載荷-位移曲線所包圍的面積可用來表示薄膜發生塑性變形的量，在一定程度上表征了材料的韌性大小。圖5(a)顯示的是涂層納米壓痕試驗得到的典型載荷-位移(P-H)曲線。在P-H曲線中，卸載曲線的斜率顯示薄膜的彈性形變能力，對比圖中的卸載曲線可以發現，Fe-Al-Nb涂層在載荷減小以后具有更好的彈性回復能力。加載曲線和卸載曲線包圍區域表征了塑性變形的全過程，代表膜層塑性變形量。圖5(b)顯示的是Fe-Al-Nb涂層與基體的動態納米硬度隨壓痕深度變化的情況，當曲線的硬度趨于恒定時，相應的硬度值是涂層表面的納米硬度?？梢钥闯?，Fe-Al-Nb涂層的硬度高于基體。這是因為通過轟擊Nb原子改變了原有的化學成分，形成了新的相，改變了組織結構，明顯提高了材料的強度和韌性。

圖5 Fe-Al-Nb涂層納米壓痕測試結果

結合強度是評價涂層質量的重要指標之一。本文采用聲發射劃痕儀來測試涂層與基體之間的結合強度，繪制的聲發射曲線如圖6(a)所示。當捕獲到在涂層劃痕試驗期間發生破壞時發出的聲信號，試樣的臨界載荷開始出現，通常以第一聲發射信號的起始位置的臨界載荷來表征涂層的結合強度。從圖中可以看出,Fe-Al-Nb涂層表現出較低強度的聲發射信號和較高的臨界負載，約83N，說明涂層與基體之間的結合力強。此外，因為離子注入使晶格膨脹，形成新相并引起結構變化而產生內部膜應力，其存在對黏附具有重要影響。聲發射峰值強度與劃痕試驗中試樣的韌性有關。相同負載下，脆性涂層具有較高的聲發射峰。這表明Fe-Al-Nb涂層具有較小的脆性和更好的塑性變形能力。從劃痕形貌圖(圖6(b))可以看出，涂層劃痕內部僅出現了微小的橫向裂紋，劃痕內部或邊緣沒有出現破碎剝離現象，說明Nb的加入有效地提高了Fe-Al涂層與基體之間的結合力。結合雙層輝光等離子體技術的特性，可知溝槽的形成增大了摩擦過程中的表面粗糙度。

3 結論

1)采用熱浸鍍Al技術與雙輝等離子滲Nb技術在中碳鋼表面制備出Fe-Al-Nb涂層，顯著改善了涂層的力學性能。

2)涂層表面呈胞狀結構，主要由Nb、Fe2Al5、Fe3Al、AlNb2相與Fe7Nb6相組成，涂層與基體之間呈冶金結合。

3)涂層表面硬度高達850HV0.1，這源于表層形成了新的硬質相；涂層具有較好的彈性恢復與塑性變形能力，這是由于滲入的Nb原子改變了基體元素成分，形成了易變形結構。

4)涂層與基體之間結合力為83N，由于彌散分布的硬質相能夠均勻支撐載荷，涂層內應力較小，因此顯示出較強的結合力。