一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法与流程

本发明属于工件表面处理方法技术领域，更具体地，涉及一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法。

背景技术：

铁铝金属间化合物(包括Fe₃Al和FeAl)具有低成本、较低的密度和显著的高温硫化、氧化抗力以及高硬度和优异的抗冲蚀性能，是极具潜力的高温结构材料。然而，由于其在室温下韧性差,且加工成型困难，从而限制了铁铝金属间化合物的工业应用。利用表面处理技术，在结构材料上制备一层含铁铝金属间化合物的改性层，既避开了其缺点，又能充分发挥其优异的性能。

目前多种传统的表面处理技术已用于制备含铁铝金属间化合物的表面改性层，包括机械球磨、物理/化学气相沉积、热喷涂、激光熔覆等。这些方法成功制备了含有铁铝金属间化合物的表面改性层，并发现改性后的工件在抗腐蚀和耐磨损方面的性能都有了不同程度的提高。然而，上述的制备方法仍存在如下显著不足：①设备复杂昂贵、制备环境要求高，如高真空(物理/化学气相沉积)；②前处理复杂，工件表面须达到清洁表面要求；③制备温度高，超过常用结构钢材的回火温度，涂层厚度范围窄，一般小于5μm(物理/化学气相沉积)；④改性层/基结合力差(热喷涂)，多裂纹、微孔等形成缺陷(激光熔覆)，高速重载等恶劣工况下服役效果不理想。因此，探索更加简便和高效的铁铝金属间化合物表面改性层制备方法显得尤为必要。

技术实现要素：

本发明的目在于克服现有技术中铁铝金属间化合物表面改性层制备方法的不足，研制设计出一种高效、低成本，组织致密且与基体结合力良好的含铁铝金属间化合物的表面改性层制备方法。以将铝粉压结体为工具电极，铝粉和煤油混合液为工作液，在工具电极和普通低碳钢之间发生脉冲放电，借助放电能量使电极和工作液中的铝元素与工件中的铁元素发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢表面形成含铁铝金属间化合物的表面改性层。

本发明上述目的是通过以下技术方案予以实现：

一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，包括以下具体步骤：

S1.将铝粉加入到煤油中，施加持续搅拌，将铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；

S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统，调控铝粉体工具电极与普通低碳钢工件之间的间隙，启动电火花加工脉冲电源在普通低碳钢工件与铝粉体工具电极间进行脉冲放电；

S3.利用脉冲放电产生的能量使铝粉体工具电极和混于煤油中的铝粉在普通低碳钢工件表面发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢工件表面形成由主相和第二相组成的含铁铝金属间化合物表面改性层。

优选地，步骤S1所述铝粉/煤油混合工作液中铝粉在煤油中的浓度为1～6g/L，铝粉粒度为0.5～2μm。

优选地，步骤S1所述搅拌时间为5～30min。

优选地，步骤S2所述铝粉体工具电极为压缩成型的纯度为>99wt.％的铝粉体，成型压力为10～30MPa，铝粉粒度为0.5～5μm，铝粉体致密度为50～80％。

优选地，步骤S2所述间隙距离为50～200μm。

优选地，步骤S2所述脉冲放电的参数为脉宽10～100μs，峰值电流3～15A，脉间20～200μs，放电时间5～30min。

优选地，步骤S3所述主相为铁铝金属间化合物Fe₃Al，FeAl，FeAl₂，Fe₂Al₅或Fe₄Al₁₃中的一种或以上；第二相为Fe、Al、非晶碳和Fe₃C中的一种或以上。

优选地，步骤S3所述主相在含铁铝金属间化合物表面改性层中的质量分数为60～90％。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.高效且低成本：制备过程在工、模具车间常见的电火花加工车床上完成，制备过程中无需加热、抽真空等操作，因此制备成本低。此外，在合适工艺参数下，数分钟内即可制备数微米厚的改性层，制备效率较高。

2.普通低碳钢改性层的组织致密且提高其与普通低碳钢基体的结合力：本发明采用铝粉/煤油混合液作为工作液，与纯煤油工作液相比，分散于煤油的铝粉除作为改性层的铝源外，还有利于增加局部电场强度，减小击穿电场强度；增大放电间隙，提高放电稳定性；增大放电通道，分散放电能量，从而降低铝粉体工具电极耗损、减少普通低碳钢改性层形成气孔和裂纹缺陷，提高普通低碳钢改性层的均匀性。此外，普通低碳钢改性层中的铁铝金属间化合物由铝粉体工具电极和工作液中的铝粉与普通低碳钢工件中的铁元素原位合金化反应所得，改性层与普通低碳钢基体间呈冶金结合，使改性层与普通低碳钢基体的结合力得到保障。

3.本发明制备的普通低碳钢改性层是由多个相组成的，其中铁铝金属间化合物是主相，包括Fe₃Al，FeAl，FeAl₂，Fe₂Al₅或Fe₄Al₁₃等物相，质量分数为60～90％，其余为第二相含有Fe、Al、非晶碳和Fe₃C等。主相和第二相的成分和相对含量可以通过铝粉体工具电极成型压力、铝粉浓度和脉冲放电参数来调控，从而实现改性层耐磨和耐腐蚀性能的剪裁。

附图说明

图1为本发明制备含铁铝金属间化合物表面改性层的原理图。其中，1为伺服控制系统，2为铝粉压结体工具电极，3为普通低碳钢工件，4为电火花加工脉冲电源，5为铁铝金属间化合物表面改性层，6为铝粉，7为煤油，8为小型螺旋桨。

图2为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层XRD图谱。

图3为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层横截面的SEM图。

图4为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层的硬度图。

图5为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层在3.5wt.％NaCl水溶液中的动电位极化曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

实施例1含铁铝金属间化合物表面改性层的制备

S1.向煤油7中加入6gL^-1的铝粉6，通过小型螺旋桨8施加持续搅拌30min，将铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；

S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统1，将成型压力为10MPa铝粉体工具电极2与普通低碳钢工件3之间的间隙控制到约200μm，启动电火花加工脉冲电源4在普通低碳钢与工具电极间进行脉冲放电；脉冲放电参数设置如下：脉宽100μs、峰值电流6A，脉间200μs，放电时间5min。

S3.利用脉冲放电击穿工作液，在工具电极和普通低碳钢工件间形成高能等离子体放电通道，利用此时产生的具大热量熔化铝粉体工具电极材料和放电通道周边的混于工作液的铝粉，并借助此时产生的热爆炸力等多种作用力把上述熔化的铝源转移至放电通道在普通低碳钢工件表面所形成的铁源微熔池中，发生原位合金化反应，形成含铁铝金属间化合物表面改性层5。

图1为本发明制备含铁铝金属间化合物表面改性层的原理图。本发明首先将一定量的铝粉6混入煤油7中作为工作液，并用小型螺旋桨8对铝粉/煤油混合液持续搅拌，以提高铝粉在煤油中的分散性。利用普通电火花加工机床的伺服控制系统1，将工具电极2与普通低碳钢工件3之间距控制到合适的间隙，电火花加工脉冲电源4在普通低碳钢工件3与铝粉压结体工具电极2间进行脉冲放电。脉冲放电击穿工作液后形成高能等离子体放电通道，由此产生的具大热量熔化工具电极材料和放电通道周边的混于工作液的铝粉，并在工件表面形成微熔池。在以热爆炸为主的多种作用力下，熔化的工具电极材料和混于工作液的铝粉转移到工件表面微熔池，并发生原位合金化反应，形成含铁铝金属间化合物表面改性层5。

图2为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层的XRD图谱。从图中2可见，改性层以Fe₄Al₁₃为主相，含量约60wt.％，Fe₃C和Al为第二相。表明采用本发明方法成功制备出含铁铝金属间化合物的表面改性层。

图3为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层横截面的SEM图。如图3所示，改性层厚度约为15μm，没有微裂纹和气孔等缺陷。改性层与普通低碳钢间由热影响区连接，改性层/热影响区界面呈现冶金结合。说明本发明方法制备的含铁铝金属间化合物的表面改性层与普通低碳钢间具有良好的给合力。

图4为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层的硬度图。本发明方法制备的含铁铝金属间化合物表面改性层的显微硬度是690HV_0.05，明显高于未经改性的普通低碳钢工件(220HV_0.05)。

图5为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层在3.5wt.％NaCl水溶液中的动电位极化曲线。与未经改性的普通低碳钢工件相比，含铁铝金属间化合物表面改性层具有更高的腐蚀电位E_corr(-0.476Vvs.-0.735V)和更少的腐蚀电流密度i_corr(2.54×10^-6vs.1.17×10^-5Acm^-2)。因此，本发明方法制备的含铁铝金属间化合物表面改性层具有更好的耐腐蚀抗力。

实施例2

与实施例1不同在于，步骤S2中的脉冲放电参数设置如下：脉宽50μs、峰值电流15A，脉间20μs，放电时间30min；步骤S2中将铝粉体工具电极2与普通低碳钢工件3之间的间隙控制到约200μm，此时改性层以FeAl和Fe₄Al₁₃为主相，两者总含量约90wt.％，Fe₃C和Fe为第二相。

实施例3

与实施例1不同在于，步骤S1中加入的铝粉浓度为1gL^-1；步骤S2中铝粉体工具电极成型压力为30MPa；步骤S2中的脉冲放电参数设置如下：脉宽10μs、峰值电流3A，脉间100μs，放电时间15min，步骤S2中将铝粉体工具电极2与普通低碳钢工件3之间的间隙控制到约50μm。

实施例4

与实施例1不同在于，步骤S1中加入的铝粉浓度为4gL^-1；步骤S2中铝粉体工具电极成型压力为15MPa；步骤S2中的脉冲放电参数设置如下：脉宽50μs、峰值电流12A，脉间150μs，放电时间10min，步骤S2中将铝粉体工具电极2与普通低碳钢工件3之间的间隙控制到约150μm。

本发明的上述实施例仅为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。