双层辉光等离子表面冶金技术

在离子渗氮技术的基础上,发展了双层辉光离子渗金属技术。该技术已成功地将固态合金元素如Ni,Cr,Mo,W,Ti,Al,Nb,Zr以及它们的组合渗入金属材料表面,形成一系列高硬度、耐磨、抗腐蚀合金层。例如在钢铁材料表面形成高速钢和镍基合金;在钛合金表面形成阻燃及耐磨合金等。该技术已获美、英、加等多国专利。本文简要介绍双辉技术的基本原理、主要工艺参数、主要研究结果和应用等。

用双层辉光等离子法在钛表面制备的Ti-Pd合金层性能研究

采用双层辉光等离子冶金技术在纯钛表面制备了Ti-Pd合金层。其深度大约为90μm,Pd含量呈梯度变化,并出现了TiPd3,TiPd2,Ti2Pd3,Ti3Pd5,TiPd,Ti4Pd等6种化合物相和Pd相。合金层在100℃的NaCl饱和溶液+HCl溶液以及40℃的8.6%H2SO4溶液中的耐缝隙腐蚀性能优于Ti0.2Pd合金;在室温80%H2SO4的溶液中,腐蚀速率仅为0.682mm/a,是Ti0.2Pd合金的18.2%;在室温30%HCl的溶液中,表面Ti-Pd的腐蚀速率仅为0.004mm/a,是Ti0.2Pd合金的12.5%。

利用双层辉光等离子技术进行镍基耐蚀合金表面合金化的研究

研究了在 2 0钢和不锈钢基材上 ,利用双层辉光离子渗金属技术进行Ni Cr Mo Cu多元共渗表面合金化 ,采用电化学方法对两种基材表面形成的渗层在 5 %HCl中的腐蚀性能进行了测定。结果表明 :在两种基材上都能得到类似于源极HastelloyC - 2 0 0 0合金的表面合金渗层 ,在不锈钢表面上形成的渗层的耐蚀性能接近HastelloyC - 2 0 0 0合金并且优于Alloy 5 9合金 ,在 2

γ-TiAl合金表面双层辉光等离子铬钨共渗层的高温氧化行为

采用双层辉光等离子表面技术在γ-TiAl合金表面制备铬钨共渗层,用SEM、EDS和XRD分析等方法结合高温氧化试验,研究了该共渗层在高温下的氧化(共100h)行为。结果表明:γ-TiAl合金经双层辉光等离子铬钨共渗后,共渗层表面形貌完好,组织均匀,与基体连接紧密,结合处无孔洞及裂纹等缺陷存在;铬钨共渗层在高温下可形成保护性氧化膜,有效降低了氧化速率,与γ-TiAl合金基体相比,氧化增重降低,抗氧化能力明显提高;随氧化温度升高,铬钨共渗层的氧化增重明显增大,但氧化机制不变;在氧化过程中,除了铬、钨发生内扩散外,基体中的钛、铝元素均发生了显著的外扩散。

采用双层辉光等离子表面合金化技术在Q235钢表面制备钽改性层及其耐蚀性

采用双层辉光等离子表面合金化技术在Q235钢表面制备钽改性层,并对钽改性层的组织、成分及耐蚀性能进行了研究。结果表明:改性层中的钽元素含量呈梯度分布,改性层与基材结合良好;钽改性层的耐蚀性明显优于基材的,其保护效率高达99.88%;钽改性层形成的钝化膜完整,能很好地保护基材。

Ti6Al4V表面双层辉光等离子渗铬及渗层的抗高温氧化性能

钛合金常规表面改性技术多存在与基体结合强度差的不足,采用双层辉光等离子渗铬则可解决这一问题。为此,利用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti6Al4V合金表面渗铬,通过正交试验优选了最优渗铬工艺主参数,对渗层的抗高温氧化性能进行了研究。从渗层厚度和与基体结合强度方面得到了最优工艺参数:源极电压950V,工件电压400 V,气压35 Pa,极间距12 mm。在此工艺参数下可获得组织均匀、致密、无裂纹及由过渡层、沉积层和扩散层组成的渗铬层,其与Ti6Al4V合金基体间呈冶金结合;且随渗层厚度增加,其抗高温氧化性能更好,原因是渗铬层在高温氧化后生成了组织致密的Cr2O3,有效地阻止了基体进一步氧化,从而显著提高了Ti6Al4V合金表面的抗高温氧化性能。

Ti6Al4V钛合金表面双层辉光等离子钨-钼共渗层的制备及其高温摩擦磨损性能

采用双层辉光等离子表面技术在Ti6Al4V钛合金表面进行钨-钼共渗,并对渗层的结构和高温摩擦磨损性能进行了研究。结果表明:在Ti6Al4V合金表面形成了与基体结合良好的钨-钼共渗层;渗层由沉积层、过渡层和扩散层构成,渗层组织为钨、钼及其在钛合金中的固溶体TixW1-x、MoTi;与基体相比,在450℃条件下共渗层的摩擦因数稍有降低,而耐磨性却显著提高,且磨损后渗层表面磨痕显著减小,粘着和擦伤现象均得到明显减轻,其磨损机制主要是粘着磨损和少量的微切削。

铁基粉末冶金件双层辉光等离子Cr-Mo共渗研究

采用双层辉光等离子技术在对粉末冶金材料FN0205进行等离子烧结的同时在其表面进行Cr-Mo共渗处理。达到烧结效果的同时在试样表面得到合金渗层,渗层表面Cr含量达到10%左右,Mo含量达到5%左右。渗层厚度达到68μm。合金渗层表面物相由Fe、Fe-Cr、Cr23C6、Cr7C3、Mo2C组成。渗层表面显微硬度达到710 HV,硬度向内呈梯度分布。

双辉等离子表面冶金的Ni-Cr合金层组织结构及耐蚀性能研究

为了改善Q235碳钢表面耐蚀性能,采用双辉等离子表面冶金技术在其表面制备Ni-Cr合金层。研究了极间距对合金层组织结构的影响规律,并对合金层的组织成分和耐蚀性能进行检测分析。结果表明:随着极间距增大,Ni-Cr合金层厚度呈现先增加后减小的趋势;Ni-Cr合金层组织均匀致密,与基体呈冶金结合状态,合金层厚度约为95μm,主要物相为Ni2.9Cr0.7Fe0.36和少量Ni3Fe。电化学极化曲线试验结果显示Ni-Cr合金层的自腐蚀电位和极化电阻较基材Q235高,而自腐蚀电流密度较低,即Ni-Cr合金层更难以发生电化学腐蚀反应且腐蚀速率更低。表明Q235钢经Ni-Cr共渗处理后,其耐蚀性得到明显改善。

基于双层辉光离子渗金属的离子轰击金属靶材的计算机模拟

轰击离子的产生、输运以及离子对靶材的溅射过程是实现双层辉光等离子渗金属的重要一环。基于辉光放电的理论以及COMSOL Multiphysics软件对典型的双层辉光等离子渗金属装置进行了建模,分析了轰击离子的能量范围,结合经典散射理论和蒙特卡罗方法,使用SRIM软件详细地模拟了Ar+对金属靶材的溅射过程。结果表明:溅射原子的位置集中在金属靶材入射位置的附近,形成环状的溅射坑。溅射原子的能量集中在20 eV内,随着入射离子能量的增加,会出现一些高能量、大角度的溅射原子。溅射产额随着靶材原子d壳层电子填满程度的增加而增大,溅射产额主要来自低能反冲原子。溅射产额越大意味着低能反冲原子越多,能量传递越分散,溅射原子能量越低。

Ti_2AlNbO相合金双层辉光等离子渗Mo摩擦性能

利用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti2AlNbO相合金进行渗Mo工艺研究。采用扫描电子显微镜、辉光放电光谱分析仪、X射线衍射仪和显微硬度计测试了渗Mo层的微观组织、化学成分、相组成和显微硬度。采用可控气氛微型摩擦磨损实验仪进行耐磨性研究。在最佳工艺参数下,渗Mo层可达100μm,表面Mo含量超过90%,且从表面到心部呈梯度分布。渗Mo层主要由纯Mo及Al5Mo相组成,硬度HV达8000MPa,渗Mo试样的平均摩擦因数为0.085,较Ti2AlNb基材降低6倍,磨损率仅为基材的7.5%。结果表明:Ti2AlNbO相合金表面的耐磨性能得到极大地提高。

双辉等离子表面冶金技术的新进展

总结了近年来双层辉光离子渗金属技术的发展,介绍了以双辉工艺在钛及钛合金表面形成阻燃合金,采用无氢渗碳在钛及钛合金表面形成高硬抗磨层,在纯铁、碳钢等基材表面形成时效硬化高速钢,在纯铜表面形成Ti-Cu耐磨合金等表面冶金新技术。

加弧辉光放电等离子表面合金化

介绍了加弧辉光离子渗金属装置及基本原理在辉光离子渗金属装置中,引入冷阴极电弧源,实现了快速渗金属,已成功地在普通碳钢表面渗入Ti,Al及Cr—Ni等合金元素,同时分析了10钢渗Ti处理后的渗层组织特征、成分分布。

Ti_2AlNb双层辉光等离子渗Cr的摩擦磨损性能研究

采用双层辉光等离子表面冶金技术对Ti2AlNbO相合金进行渗Cr处理,采用扫描电子显微镜、辉光放电光谱分析仪及X射线衍射仪分析了渗Cr层的微观组织、化学成分及相组成,由表及里测试了渗层显微硬度分布,通过无润滑条件下的球-盘式摩擦磨损试验研究了渗Cr处理对其摩擦磨损性能的影响.结果表明:渗Cr层厚度约30μm,表面Cr含量达38%且由表及里呈梯度分布;渗Cr层主要由Al8Cr5、AlNb2及Cr2Nb、Cr2Ti等相组成,硬度达950HV,渗Cr试样的平均摩擦系数为0.10;磨损率仅为Ti2AlNb基材的1/20.

等离子体表面处理与大气压下的辉光放电

与传统的方法相比,等离子体处理的高效、无毒、节能特性使得它在表面处理和灭菌消毒方面有着很好的应用前景,在上述工业领域,“经典”的大气压放电诸如电晕放电、介质阻挡放电以及电弧放电都不适用。然而,尽管低气压下的辉光放电已得到了很好的发展,大气压下辉光放电的实现还存在一些困难。目前,对大气压下辉光放电物理过程的探索集中在其物理机制、图像捕获以及大气压下空气中辉光放电的实现方面。

Ti-6Al-4V表面双层辉光离子渗Cr研究

利用双层辉光离子渗金属技术,在Ti-6Al-4V的表面渗入Cr元素,形成Ti-Cr阻燃合金层。系统地研究了温度、保温时间、源极电压、工件电压、极间距等工艺参数对渗层显微组织、成分及厚度的影响,得出了合理的工艺参数。870℃渗Cr 2 h,渗层厚度可达到60μm以上。阻燃合金层的成分呈梯度分布,显微组织为基体组织加少量弥散分布的Cr2Ti金属间化合物。初步阻燃试验证明,渗Cr合金层起到了预期的阻燃效果。

辉光放电等离子体用于聚丙烯薄膜表面处理

为研究用辉光放电等离子体处理后材料表面成分和分子结构的变化,用辉光等离子体处理聚丙烯(PP)薄膜,利用红外光谱和扫描电镜检测了材料表面微观结构的变化,并用国标规定的装置检测了它的击穿场强。实验证明,处理后的PP膜表面粗糙度增加,且引入了极性基团,微观结构产生了变化,但薄膜击穿强度没有发生明显变化。这为已经进行过很多的、关于等离子体表面处理对材料击穿场强的影响的研究提供了充足的实验证明,另也从微观角度为等离子体表面处理提供了较深入的理论支持。

双辉等离子表面冶金Ti-Cu阻燃合金的制备工艺

为解决整体阻燃钛合金存在的比强度低、加工性差及价格昂贵等问题, 利用双层辉光离子渗金属技术,在Ti 6Al 4V的表面渗入Cu元素, 在其表面形成Ti Cu阻燃合金层。研究了温度、保温时间、源极电压、工件电压、极间距等工艺参数对渗层显微组织、成分及厚度的影响, 得出了适合的工艺参数。870 ℃渗铜 3.5 h, 渗层厚度可达到200μm以上。阻燃合金层的成分呈梯度分布, 显微组织为基体组织加弥散分布的Ti2Cu金属间化合物。初步阻燃实验证明, 渗Cu合金层起到了预期的阻燃效果。

双层辉光等离子制备TiN渗镀层的耐蚀性能

利用双层辉光等离子表面合金化技术,在Q235钢表面直接合成TiN渗镀层,该渗镀层由TiN颗粒均匀分布的扩散层及表面TiN沉积层组成。将TiN渗镀层与Q235钢基体和1Cr18Ni9Ti不锈钢在4%的NaOH溶液、l mol/L H2SO4溶液和3.5%NaCl溶液中分别进行电化学腐蚀对比试验。结果表明:在4%的NaOH溶液中,TiN渗镀层的耐蚀性能比Q235钢提高了26.8倍,与1Cr18Ni9Ti不锈钢相当;在l mol/L H2 S04溶液中,TiN渗镀层耐腐蚀性能比Q235钢提高了10.5倍,比1Crl8Ni9Ti不锈钢提高了1.65倍;在3.5%的NaCl溶液中,TiN渗镀层耐腐蚀性能比Q235钢提高了10.3倍,但比1Crl8Ni9Ti不锈钢稍差。TiN渗镀层耐酸碱性溶液腐蚀性能要比耐盐溶液腐蚀性能强。

钛表面辉光等离子制备Ti-Pd合金层耐蚀性能分析

采用辉光等离子冶金技术在纯钛表面制备了Ti-Pd合金层,并对Ti-Pd合金层的耐蚀性进行了研究。结果表明:合金层在100℃的NaCl饱和溶液+HCl溶液以及40℃下8.6%H2SO4溶液中的耐缝隙腐蚀性能优于Ti-0.2Pd合金;在室温80%H2SO4的条件下,腐蚀速率仅为0.682mm/a,是Ti-0.2Pd合金的18.2%;在室温30%HCl的条件下,表面Ti-Pd的腐蚀速率仅为0.004mm/a,是Ti-0.2Pd合金的12.5%。