1、雙層輝光離子滲鎳基合金Inconel 625張旭楊忠民董建新謝錫善徐重高原摘要采用雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在20鋼、工業(yè)純鐵、18-8不銹鋼3種材料表面進(jìn)行表面合金化。結(jié)果表明：可以在3種材料表面獲得成分類似于鎳基合金Inconel 625及與Inconel 625不同的表面合金滲層。并對(duì)滲層成分控制、組織結(jié)構(gòu)和耐蝕性進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞雙層輝光鎳基合金離子滲金屬Double Glow Plasma Surface Alloying using Nickel Base Alloy Inconel 625 Zhang Xu, Yang Zhongmin, Dong Jianxin and Xie Xi

2、shan(University of Science and Technology, Beijing 100083)Xu Zhong and Gao Yuan(Taiyuan University of Technology)AbstractThe double glow plasma surface alloying using nickel base alloy Inconel 625 on the 0.20% C steel, commercial pure iron and 18-8 stainless steel has been carried out. The results s

3、how that compositions of surface alloying layer which was similar or different to the alloy Inconel 625 were obtained. And the composition control, the microstructure and the corrosion resistance of the alloying layer have been studied.Material IndexDouble glow, Nickel Base Alloy, Plasma Surface All

4、oying雙層輝光離子滲金屬(雙輝滲金屬)技術(shù)1，2是一項(xiàng)表面冶金技術(shù)，它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的表面合金層。表面層的合金元素含量可達(dá)90%以上，合金層的厚度可達(dá)幾百微米以上。雙輝滲金屬技術(shù)的出現(xiàn)，使鎳基合金的表面冶金成為可能。多年來(lái)，對(duì)Ni、Cr、W、Mo等合金元素的單元滲3和Ni-Cr、W-Mo、Ni-Cr-Mo等多元共滲4，5進(jìn)行了研究。雙層輝光離子滲金屬技術(shù)在抗腐蝕和抗氧化方面的應(yīng)用也取得一定的進(jìn)展，雙輝鉻鎳共滲成功地應(yīng)用于化工機(jī)械等部件，A3鋼板鉻鎳共滲可以得到高合金含量的Ni-Cr合金滲層4。 Inconel 625合金是以Nb、Mo為主要強(qiáng)化元素的固溶體強(qiáng)化

5、型鎳基合金，具有良好的機(jī)械性能、耐蝕性、可焊性和加工性能。Inconel 625作為合金元素的供給源，利用雙層輝光滲金屬技術(shù)在純鐵、低碳鋼及不銹鋼18-8的表面形成Inconel 625鎳基合金層，用來(lái)代替整體鎳基合金工件以節(jié)約大量貴重金屬，降低成本，應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域?qū)?huì)有較好的經(jīng)濟(jì)效益。1試驗(yàn)方法滲金屬試驗(yàn)在雙層輝光離子滲金屬爐中進(jìn)行(圖1)。源極材料為Inconel 625合金板，合金成分見(jiàn)表1。其尺寸為150 mm×50 mm×4 mm。工件材料為20鋼、工業(yè)純鐵、18-8不銹鋼。滲金屬試驗(yàn)工藝參數(shù)范圍為：氣壓30 Pa,溫度8501 100 ，源極電壓7301 400

6、 V，陰極電壓280600 V，極間距1520 mm。滲金屬后試樣在掃描電鏡下進(jìn)行能譜分析，測(cè)定滲層中合金元素含量。試樣在HCl+H2O2+H2O腐蝕劑中進(jìn)行化學(xué)侵蝕后，在掃描電鏡下觀察金相組織。表1Inconel 625合金成分/%Table 1Composition of alloy Inconel 625/%NiCrFeMoNbCMnAlTiSiCo5820.023.05.08.010.03.154.150.010.50.40.40.0151.0圖1雙層輝光離子滲金屬試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1Sketch of device for double glow plasma surface a

7、lloying試樣在X-射線衍射儀下進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。采用M351電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)定滲層的極化曲線。腐蝕介質(zhì)3.5%NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極，掃描速度：20 mV/min。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1Inconel 625表面合金層的形成在不同的工藝參數(shù)下即可得到符合Inconel 625合金成分的滲層，也可以得到與Inconel 625成分不同的滲層(見(jiàn)表2表4)。滲層中合金元素呈梯度分布，表面合金元素濃度梯度較小，而且有一定厚度，這有利于保證滲層表面性能；隨深度增加，濃度梯度增加，并逐步過(guò)度到基材成分，這有利于表面合金層與基材的結(jié)合。2.2工藝參數(shù)的影響規(guī)律共滲溫度增加，滲層表面合金N

8、i+Cr+Mo+Nb總量減少，滲層厚度增加(圖2、3)。源極功率提高，滲層表面合金Ni+Cr+Mo+Nb總量增加，滲層厚度也增加。以上結(jié)果表明：源極功率，陰極功率與滲層的合金總量以及滲層的厚度之間存在著某種相互關(guān)系。通過(guò)人為地調(diào)整工藝參數(shù)是可以控制滲層的滲入合金總量和滲層的厚度的。其影響多元共滲規(guī)律主要因素與源極的濺射總量和合金元素在試樣中的擴(kuò)散速度有關(guān)。表212#試樣(1 000 )表面滲層成分分布(純鐵)Table 2Composition of alloying layer on pure iron， specimen No.12 at 1 000 離表面深度/m滲層成分/%NiCrMo

9、NbFe064.1419.147.252.237.25862.8919.265.901.989.981660.3218.894.941.4914.362456.9418.603.680.6820.092855.1917.933.090.5423.253253.5217.592.750.5625.574051.6017.082.350.3428.634845.7115.832.070.2936.905625.2810.441.160.1662.95645.454.320.690.1189.43720.620.990.07098.32表38#試樣(1 000 )表面滲層成分分布(20鋼)Table

10、 3Composition of alloying layer on low carbon steel， specimen No.8 at 1 000 離表面深度/m滲層成分/%FeCrNiMoNb017.4322.4251.415.313.443.518.8418.4156.664.102.35718.1024.6951.164.491.561421.7823.9847.754.392.102835.6312.8848.452.220.824083.356.629.320.800表46#試樣(850 )表面滲層成分分布(基材純鐵)Table 4Composition of alloying

11、layer on pure iron， specimen No.6 at 850 離表面深度/m滲層成分/%FeCrNiMoNb04.5626.7756.529.292.8635.2429.4554.817.972.5367.4230.8151.647.732.401216.6223.9548.738.132.571854.488.8333.412.530.742181.174.4313.680.7202491.631.843.413.1302.3滲層組織結(jié)構(gòu)(1) 金相組織滲層金相組織SEM照片如圖4所示，照片上顯示滲層比較均勻、連續(xù)、致密。其中白色點(diǎn)狀相經(jīng)掃描電鏡能譜分析發(fā)現(xiàn)其成份中Nb、

12、Mo含量比較高，是碳化物或者是金屬間化合物。這一結(jié)論被以后X-射線衍射結(jié)果所證實(shí)。圖2溫度對(duì)滲層中合金總量和滲層厚度的影響Fig.2Effect of temperature on total content of alloying element and thickness of alloy layer圖3功率比對(duì)滲層中合金總量和滲層厚度的影響Fig.3Effect of ratio of power on total content of alloying element and thickness of alloy layer圖4滲層金相組織Fig.4Microstructure of

13、surface alloying layer(2) 相組成對(duì)滲層表面X-射線衍射結(jié)果初步表明：雙層輝光離子滲鎳基合金表面滲層的相組成為奧氏體基體+少量析出相，析出相為NbC和Laves相。2.4滲層的耐腐蝕性能滲層與Inconel 625在3.5%NaCl溶液中極化曲線表明：在18-8不銹鋼基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金滲層耐腐蝕性能優(yōu)于Inconel 625。在純鐵基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金滲層耐腐蝕性能與Inconel 625相當(dāng)。在20鋼基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金滲層耐腐蝕性能低于Inconel 625。3結(jié)論(1) 利用雙輝離子滲金屬技術(shù)，以Incone

14、l 625為合金元素供給源，是可以在純鐵，20鋼，18-8不銹鋼的表面上獲得與Inconel 625成分相同或不同的表面合金滲層。(2) 通過(guò)改變工藝參數(shù)是可以控制滲層厚度以及滲層中滲入合金元素成分。(3) 滲層組織均勻致密，為奧氏體基體+少量析出相，析出相為NbC和Laves相。(4) 在18-8不銹鋼基材上形成的合金滲層耐蝕性優(yōu)于Inconel 625。在純鐵基材上形成的滲層耐蝕性與Inconel 625相當(dāng)。本課題為國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目。作者單位：張旭楊忠民董建新謝錫善北京科技大學(xué)， 北京 100083 徐重高原太原理工大學(xué)參考文獻(xiàn)1徐重，王振民，古風(fēng)英，范本惠，肖麗華，趙晉香.雙層輝光離子滲金屬.金屬熱處理學(xué)報(bào)，1982：6，712Zhong Xu US Patent (