原位生成周期性层片结构镀层及其在NaCl溶液中的腐蚀形貌

金属在海洋氯离子环境中极易发生腐蚀,并造成巨大的经济损失。通过制备新型Fe-Cr-B铸钢,采用热浸镀铝-扩散热处理原位生成含有周期性层片结构(PLSs)的镀层,并利用扫描电子显微镜(SEM)、电子探针X射线显微分析仪(EPMA)等手段研究了该镀层的组织结构及其在3.5%(质量分数)NaCl溶液中的腐蚀行为。结果表明,该铸钢的显微组织主要由粗大的初生(Cr,Fe)_(2)B及α-Fe组成;热浸镀铝时在(Cr,Fe)_(2)B/Al界面上生成由FeAl3和Cr-Al-B相组成的PLSs,在α-Fe/Al界面上生成FeAl3;扩散热处理使得反应层增厚,且PLSs在反应层中大量生成;相比FeAl3,镀层中的PLSs在腐蚀过程中充当阳极优先腐蚀,并表现出腐蚀各向异性,尤其是其中的Cr-Al-B相可明显阻挡氯离子腐蚀,使得PLSs通过延长腐蚀路径进而提高镀层的耐氯离子腐蚀性能。

热扩散处理对热浸镀铝Fe−Cr−Si−B铸钢组织演变及腐蚀行为的影响

研究热扩散处理对热浸镀铝Fe−Cr−Si−B铸钢镀层组织及在5%(质量分数)NaCl溶液中的腐蚀行为的影响。结果表明:Fe−Cr−Si−B铸钢中的Fe基体与Al液界面反应产物为柱状结构的FeAl3。在(Cr,Fe)2B/Al界面上形成的周期性层片结构是在热扩散处理过程中形成,而非热浸镀铝。在短时间内表面残留Al层主导了热浸镀铝和热扩散处理镀层在NaCl溶液中的腐蚀行为,直到表面残留Al层被完全消耗。Cl−引起的点蚀优先从块状B−Al−Cr相与FeAl3的界面开始,并沿周期性层片结构扩展。硅颗粒作为阴极,促进了镀层的腐蚀。在Fe−Al金属间化合物层被完全腐蚀之前,钢基体都处于阴极保护中。此外,高温NaCl溶液的腐蚀被显著加速。

合金元素对Fe/Al界面反应影响的研究进展

Fe/Al界面反应涉及轻量化设计中的钢/铝焊接、铝合金铸造过程中铝熔体对模具钢的腐蚀及提高耐腐蚀、耐磨损性能的热浸镀铝涂层的制备等工业领域,在此过程中由于Fe、Al原子的互扩散而在界面上生成脆性的Fe-Al金属间化合物(IMC)层,该IMC层对上述的各种性能起着决定性作用。因此,如何根据最终的性能要求来控制该界面反应具有十分重要的科学意义。诸多文献从钢/铝焊接、钢热浸镀铝等方面研究了Fe/Al界面反应,并取得了丰硕的成果。但由于该界面反应大多为非平衡条件下进行的反应扩散过程,界面处生成的Fe-Al IMC厚度很薄且脆性较大。同时,合金元素及其交互作用会对这一界面反应产生复杂影响。具体表现在:Si易在IMC晶界处富集,对IMC的生长起抑制作用,Zn则可加速Fe/Al界面反应,但Si、Zn的影响与其存在形式有关;Fe-Cr-B铸钢热浸镀铝时会在反应界面上生成周期性层片结构(PLS),而Cr、Zn等合金元素会对生成PLS的界面反应产生重大影响,其中,Fe-Cr-B铸钢中的Cr含量是基础,只有Cr含量位于特定范围内,该界面反应才会生成PLS;Al熔体中的Zn会导致界面反应由Fe/Al转变为Fe/Zn,发生该转变时Al-Zn熔体中Al的临界含量为0.3%(质量分数,下同)。本文从纯Fe/Al固液界面反应入手,阐述并讨论合金元素对这一界面反应生成IMC的类型、形貌及厚度的影响及其机理。结合已有的研究结果,分析了Fe-Cr-B铸钢热浸镀铝时界面组织结构的演变规律,最后,对Fe/Al界面反应的研究方向进行了展望,旨在为相关工程应用提供理论指导。

扩散退火对热浸铝Fe-Cr-B铸钢界面形貌的影响

通过中频感应电炉制备不同Cr含量的Fe-Cr-B铸钢,经铝液浸入后,采用扩散退火方法(800℃,保温1 h,空冷),利用SEM研究了扩散退火对Fe-Cr-B铸钢与750℃铝熔体反应后界面形貌的影响。结果表明:扩散退火对不同Cr含量的Fe-Cr-B铸钢与铝液反应后界面形貌的影响显著,Cr含量为0时,扩散退火前后Fe_2B/Al界面反应都不生成周期性层片结构,但扩散退火过程发生Al对Fe-B铸钢的不均匀侵蚀,形成明显的柱状晶和未被侵蚀的Fe_2B"孤岛";Cr含量为15 wt.%时,扩散退火前后(Cr,Fe)_2B/Al界面反应都生成周期性层片结构,但扩散退火过程生成的周期性层片结构与热浸镀铝时生成的有较大的差异,其存在明显的撕裂痕迹。总体来说,(Cr,Fe)_2B/Al界面反应都生成周期性层片结构满足扩散应力模型。