304不銹鋼表面合金化的研究

關寧 郭燕 于陽 趙研 夏杰

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

1 實驗方法

304不銹鋼抗高溫氧化性能不夠，在高溫時會出現表皮脫落現象，實驗者設想在304不銹鋼表面制備隔熱涂層，熱障涂層是優異的選擇。主要是因為熱障涂層熱導率較低、抗高溫氧化性能優異，耐熱沖擊性強。但鑒于304不銹鋼基體強度硬度較高，嘗試利用機械力沉積綜合性能較好的硬性涂層有難度，經過反復實驗對比，在其上面沉積硬性熱障涂層無法保證基體與涂層的結合力，且涂層涂覆不均勻，厚度稀疏，實驗者決定在硬質涂層基體上增加延性成分Al，一方面增加基體與涂層的結合力，另外一方面其遇高溫可氧化為與熱障涂層相同的相結構。綜合考慮涂層體系選擇Al-ZrO2-Y2O3。

本實驗采用尺寸為28 mm×16 mm×5 mm的經過打磨過的304不銹鋼基體試樣作為基體，經過由粗到細的砂紙打磨后置于具有一定濃度的丙酮溶液中進行超聲波清洗，然后經歷干燥、涂覆膠黏劑，最后將其置于對應的球磨罐凹槽中固化24 h以上。實驗原料為30 g的Al、ZrO2、Y2O3粉末，按質量比為2∶6.5∶1.5進行配比，配好后置于干燥的球磨罐中，然后密封球磨罐，反復抽真空，球料比為9∶1，球磨轉速為400 r/min，球磨采用間歇式球磨方式，球磨25 min，空冷15 min，球磨轉分別為3 h、6 h和9 h。實驗結束將帶有涂層的試樣取下進行SEM形貌及截面形貌和化學成分雙重分析，然后利用硬度儀測試顯微硬度，最后采用靜態增重法，將試樣加熱至800℃，保溫12 h而后隨爐冷卻至室溫，多次同種操作求平均值，繪制氧化速度-時間曲線。

2 實驗結果

2.1 表面形貌分析

圖1所示自左向右分別為基體、球磨3 h、6 h和9 h后的試樣圖，很明顯基體表面光滑，球磨后表層形貌和基體有較大區別，球磨后基體表層有涂層沉積，顏色隨球磨時間延長逐漸加深。

圖1 初步完成試樣表面圖

圖2為球磨3 h和9 h后，基體表面Al-ZrO2-Y2O3復合涂層表面形貌及微區成分分析圖，對比表面形貌結果，經過3 h的球磨，由于磨球高速撞擊，體系能量迅速增大，基體表層有完整涂層覆蓋，但是涂層覆蓋不均勻，較疏松，而且存在顆粒僅僅機械粘附的現象，此階段粉末易破碎和滑落，主要是由于該階段僅為物理結合[1-3]。

圖2 涂層表面形貌及成分分析

當球磨時間延長至9 h，涂層覆蓋均勻，顆粒感不強，涂層發生明顯塑性變形形成均勻且致密的覆蓋層。對其微區進行成分分析發現，該區有較多的Al沉積，這和原始成分配比不同，說明延性較好的金屬顆粒先于脆性顆粒沉積，脆性顆粒ZrO2起初以第二相顆粒的形式附著在延性涂層上[4]，而后原始涂層發生塑性變形，在體系能量大量輸入的前提下，Al轉變為Al2O3，同時基體與涂層間發生原子擴散，借助磨球的機械力作用，ZrO2和Y2O3不斷使初始涂層增厚，第二相顆粒起到增強相的作用，顆粒變細、涂層變致密[5-6]。

2.2 顯微硬度

圖3為不同參數下試樣顯微鏡硬度分布。當球磨轉速為400 r/min時，球磨8 h的試樣顯微硬度的顯微硬度影響最大，顯微硬度最大值為468HV0.1為基體硬度的2.5倍，且離表層越近，硬度值越高，因為表層熵值最大[7]。由于整個系統機械力的持續輸入，隨體系溫度的增高，初步形成的涂層有序化降低，能量升高，利于機械混合物的形成，且延性成分提高了涂層與基體的結合力。結合圖2，不難發現，顆粒細化導致整體強度硬度升高[8]。

圖3 不同參數下試樣顯微硬度分布

2.3 抗高溫氧化性能

圖4為經過800℃氧化100 h后不同參數設置下試樣氧化表面照片，從右到左為依次球磨8 h、5 h和3 h后的試樣。對比圖1，發現基體嚴重氧化，球磨時間越長，涂層氧化和脫落現象越不明顯。對比其他涂層沉積方法，如電化學沉積及等離子噴涂等獲得的試樣微觀缺陷較明顯[7]，該方法成本低且熱應力低。

圖4 不同參數下試樣氧化表面照片

圖5為不同試樣的氧化增重曲線，保持球磨速度的前提下，球磨時間越長，氧化增重越不明顯，基體增重速度最快。可以判定該涂層可明顯改善基體的抗高溫氧化性能?；贛A獲得的延性熱障復合涂層不僅有實現性，綜合性能優良，而且成本投入少，對設備要求低、對基體也無特殊要求。

圖5 氧化增重曲線

3 結論

（1）通過MA-機械合金化成功在304不銹鋼基體上獲得Al-ZrO2-Y2O3復合涂層；

（2）在球磨轉速固定的條件下，捕獲表面涂層的微觀組織的致密度隨球磨時間的延長而得到改善，表層孔洞減小，均勻性增強[9]。

（3）驗證了機械力的輸入可以成功獲得延性-脆性復合涂層。