中科院金属所Nature子刊:一种超速金属表面改性技术
2016-12-21 16:54:57 作者:本网整理 来源:材料牛 分享至:

    【引言】


    在能源或化工等产业中,工程材料的服役条件日渐严峻,表面改性则是改善材料表面性能的重要一步。其中,材料表面渗铝是一种低成本的、改善基材高温抗氧化性的方法,通过渗铝能改善耐热钢在高温高压下的使用性能,提高其作为蒸汽管使用时的稳定性,并延长使用寿命。然而,大多数的传统渗铝技术都存在诸多缺点,如扩散慢、加工困难、相容性差等,进一步限制了渗铝技术在实际生产中的使用。因此,寻找一种操作容易并且反应速度快的表面改性技术十分重要。


    【成果简介】


    近日,中科院金属研究所的沈明礼(通讯作者)等人研究出一种利用受激电子的迁移活动,在奥氏体不锈钢(304SS)表面渗铝的超速表面改性技术(EMMA),以达到改善钢表面性能的效果。研究人员通过改变流过钢表面脉冲电流的参数时发现,这一过程加速了Fe原子的向外扩散,仅10分钟即形成较好韧性的表面涂层,这一涂层主要由FeCrAl和β-FeAl两个相组成,并且钢表面的高温抗氧化性得到了明显的提高。该成果以“A general strategy for the ultrafast surface modification of metals”为题于2016年12月7日在Nature Communications上发表。


    【图文导读】


    图1 电迁移辅助渗铝(EMMA)


   1


    a.试样表面通电流渗铝的图示,所提到电流流过的方式:


    b.直流电(DC),这种情况下电子迁移力(EMF)平行于基体表面,无法与化学势能梯度(CPG)耦合;


    c.脉冲直流(PDC)或交流电(AC),当变化的电流产生变化的磁场时,如图所示就出现了涡流;


    图2 渗铝层的特征图


   2


    a. 1300A·cm-2,10min,直流(DC);


    b. 1400A·cm-2,10min,脉冲直流(PDC);


    c. a,b两个样品的XRD图谱,可以看出脉冲直流(PDC)渗铝样的物相只有FeCrAl和β-FeAl两个相;


    d. FeCrAl相的名义扩散系数,脉冲直流(PDC)渗铝样品中FeCrAl层展现出更快的增长速度;


    e. 脉冲直流(PDC)渗铝样品b内层的TEM图,标尺分别为200nm和20nm;可以得出在这个过程中 Fe原子的向外扩散占据了主导地位;


    图3 FeCrAl层的超速形成


    3


    a. 1900A·cm-2,5min,脉冲直流(PDC)条件下渗铝层的SEM图、EDS成分和横截面压痕深度形貌;


    b. 标尺为100nm下FeCrAl层的TEM图;


    c. EDS图,Ni元素和Cr元素的分布较为均匀,而Al元素随着与基体的距离越近,含量越低;


    d. 对应b图画圈区域的选区电子衍射(SAED);


    图4 在水蒸气下样品的高温氧化情况


4


    a.原始样品与渗铝304SS样品的氧化动力曲线:1400A·cm-2,10min,脉冲直流(PDC)条件下得到β-FeAl/FeCrAl双层样品在氧含量40 vol%和900℃水蒸气下测试,1900A·cm-2,5min,脉冲直流(PDC)条件下得到FeCrAl单层样品在氧含量50 vol%和700℃水蒸气下测试;


    b. 304SS(左边)和渗铝(右边)样在900℃测试后的表面形貌;


    c. SEM下304SS横截面氧化膜的形成;


    d. SEM下700℃测试后渗铝样横截面氧化膜的形成,由此可以看出,渗铝后的样品高温抗氧化性能的提高得益于氧化铝层的形成;


    标尺为b.5mm;c,d.10?m


    【小结】


    沈明礼副研究员等人将渗铝过程的驱动力—化学势能梯度(CPG),和受激电子的迁移力(EMF)相结合,实现超速奥氏体不锈钢(304SS)表面改性,这种技术更易在表面得到韧性相,大大缩短加工时间,并明显提高奥氏体不锈钢表面的高温抗氧化性能,这必定能改善渗铝技术在表面改性中应用的现状。同时,这项技术也被证实可用在低碳钢的渗硅和渗铬中,因此,这项表面改性技术相比于传统技术而言,具有明显的优异性。

 

 

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责任编辑:刘洋

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