不銹鋼表面Ａｌ／Ｃｕ涂層制備與第一性原理計算

摘 要：為了研究Ａｌ／Ｃｕ涂層中金屬間化合物的生成順序和形成機理，在３０４不銹鋼基體表面制備了Ａｌ／Ｃｕ涂層。對試樣進行熱處理使得Ａｌ／Ｃｕ涂層原位反應生成金屬間化合物，隨后測試了涂層的高溫抗氧化性能。采用第一性原理計算ＡｌＣｕ金屬間化合物的焓、熵、吉布斯自由能和熱容等數據。將熱力學和擴散動力學相結合，提出有效生成自由能模型來預測化合物在Ａｌ／Ｃｕ界面的生成順序。結果表明：Ａｌ／Ｃｕ涂層中首先形成Ａｌ２Ｃｕ相，在Ａｌ／Ｃｕ界面處出現了ＡｌＣｕ相，加熱時間增加至２０ｈ后出現了富Ｃｕ的Ａｌ４Ｃｕ９相。由第一性原理計算得出，ＡｌＣｕ金屬間化合物的形成順序為Ａｌ２Ｃｕ→ＡｌＣｕ→Ａｌ４Ｃｕ９，與實驗結果一致。此外，氧化實驗結果表明，涂層具有良好高溫抗氧化性能。

關 鍵 詞：Ａｌ／Ｃｕ涂層；３０４不銹鋼；電弧噴涂；等離子噴涂；第一性原理計算；金屬間化合物；抗高溫氧化；熱處理

中圖分類號：ＴＧ１４６ 文獻標志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０２－０１６５－０７

３０４不銹鋼由于其具有耐腐蝕性能好，韌性高等特點被廣泛應用于各種工業領域內［１－２］。然而，３０４不銹鋼在高溫條件下極易在表面形成很多如Ｆｅ３Ｏ４ 和Ｆｅ２Ｏ３ 等含鐵氧化物與部分氧化鉻，這些氧化物極易脫落發生氧化失效［３］。在高溫環境服役時３０４不銹鋼的氧化和氧脆降低了整體力學性能，從而限制了其在高溫條件下的使用壽命。高溫氧化行為主要發生在３０４不銹鋼基體表面，采用表面改性技術在零部件表面制備耐高溫涂層可以有效提高３０４不銹鋼的抗高溫氧化性能。近幾年，通過在３０４不銹鋼表面制備涂層來提高其抗高溫氧化性能受到學者們的廣泛關注［４］，可以通過化學反應使得ＡｌＣｕ原位形成金屬間化合物膜，進而對３０４不銹鋼進行防護。通常抗高溫氧化涂層主要制備方法包括熱噴涂技術［５］、激光重覆［６］、化學氣相沉積［７］和物理氣相沉積［８］。盧壹梁等［９］在３０４不銹鋼表面制備了納米鋁改性有機硅涂層，結果表明，納米鋁改性有機硅涂層顯著提高了３０４不銹鋼抗氧化性能，經１０２８ｈ氧化實驗后基體幾乎未發生氧化，涂層未出現開裂和剝落。戴汀等［１０］采用磁控濺射技術在３０４不銹鋼集流體表面制備了ＣｒＣ涂層，研究了該涂層的微觀形貌、物相組成以及在３５０℃熔融多硫化鈉中的耐電化學腐蝕性能，結果表明，該涂層能夠有效防止熔融多硫化鈉擴散至３０４不銹鋼基體表面，從而有效保護基體免受高溫熔鹽腐蝕。孫超等［１１］利用直流磁控濺射在３１６奧氏體不銹鋼表面制備了高含鋁奧氏體不銹鋼涂層，研究了該涂層對３１６奧氏體不銹鋼８５０℃下抗高溫氧化性能的影響，結果表明，該涂層顯著提高了３１６不銹鋼的抗氧化性能。王仲勛等［１２］采用爆炸噴涂方法在２Ａ１２鋁合金基底上制備了ＡｌＣｕＦｅ準晶涂層，結果表明，涂層可對基體起到良好熱防護作用，對基體耐磨性具有積極作用，退火處理能夠有效提高涂層硬度、結合強度等性能。