一种在Fe-Cr-Si系合金表面形成致密氧化层的方法与流程

本发明属于合金氧化领域，具体涉及对合金表面进行选择性氧化工作，具体而言，指一种fe-cr-si系合金在喷镀下的选择性氧化方法。

背景技术：

大多数用作结构材料的合金在暴露于低氧气氛和高温下相对较高的硫分压(如煤气化)时会严重损坏。非保护性硫化物在合金表面快速生长，导致合金快速退化。几十年来，研究人员花费了大量时间和精力来解决这个问题。据报道，二元合金，如fe-mn，fe-si，fe-y，ni-nb，co-y，fe-nb失效在含有o和s的气氛中形成保护性垢。

因此现研究的重点转变为三元合金，三元合金的氧化、硫化行为比二元合金更复杂。现有的研究中，fe-cr-ni合金在h2/h2o/h2s/ar混合气氛中会发生快速退化。在特定情况下，ti-cr-al合金可以表现出良好的耐腐蚀性。例如，当cr2o3具有热力学稳定性时，ti-cr-al合金具有良好的耐腐蚀性。在合金表面上制备保护涂层是改善基材耐腐蚀性的有利方法。dudziak等人报道多层cralyn/crn涂层可以在h2/h2s/h2o混合物中在ti-45al-8nb上局部诱导保护层。此外，据报道纳米或微米涂层能够改善合金的抗氧化、抗硫化性。

根据我们对合金氧化的研究，保护性氧化皮的形成对于在恶劣环境中暴露的合金具有良好的耐腐蚀性，例如sio2和cr2o3在合金表面上可以有效改善保护性氧化皮的形成。这样我们可以提高合金中cr或si的含量，或者在合金表面上制备含有高含量cr和si的涂层。在fe-si合金中加入cr可以在纯氧化气氛中诱导形成sio2层。其次，我们还可以减小合金的晶粒尺寸，以改善cr和si的向外扩散，从而实现si的选择性氧化并形成保护膜。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种操作简单、经济实用且适应于工业连续生产的对fe-cr-si系合金在喷镀下的选择性氧化方法，进而提高fe-cr-si系合金在腐蚀介质中的耐腐蚀性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种在fe-cr-si系合金表面形成致密氧化层的方法，包括：首先在fe-cr-si系合金表面喷镀一层同成分比的fe-cr-si镀层，所述fe-cr-si镀层的厚度为15-20μm；然后利用粉堆控制氧压，使fe-cr-si系合金表面与fe-cr-si镀层之间形成0.05～0.2mpa的低氧压，加热恒温选择性氧化，制得形成在fe-cr-si系合金表面的连续致密的cr2o3+sio2氧化层。

相比于现有技术，本发明通过在fe-cr-si系合金表面再喷镀一层同成分比的fe-cr-si镀层，fe-cr-si镀层厚度控制在15-20μm，微米级的镀层本身可以提高合金一定的抗氧化、硫化性。此外，通过粉堆控制氧化制备氧化薄膜的方法来控制内部氧压在0.05～0.2mpa的范围内，由于fe-cr-si镀层外部会优先形成氧化层，这样就会在一定程度上阻止氧原子的内扩散，促成合金表面与镀层之间形成超低氧压，界面处发生选择性氧化，生成连续的cr2o3+sio2氧化层，增加基体的耐腐蚀能力。本发明的fe-cr-si系合金在喷镀下进行选择性氧化，为金属腐蚀防护提供一种新的选择性氧化方式，在基体和镀层结合处由于低氧压的形成使界面处发生选择性氧化，从而生成连续的cr2o3+sio2氧化层,组织氧原子的向内扩散起到防护的作用。从根本上改善了fe-cr-si基体合金在特殊气氛下使用而被腐蚀损坏的情况，延长其使用寿命，具有可观的社会效益和经济效益。

附图说明

此处说明的附图用来对本发明作进一步解释，构成本申请的一部分，本发明的示意性图示用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，本发明的保护范围不限于下述示意图。

图1为热喷涂后的fe-5cr-5si合金横截面(sei)图

图2为本发明实施例中在未热喷涂的fe-5cr-5si铸态合金表面制得的致密氧化层的形貌(sei)图。

具体实施方式

本发明下面结合实施例作进一步详述：

下面结合附图来具体实施例对本发明作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。以下实施例中磁控电弧炉装置为本领域常用装置，包括fd-118分子泵控制器、逆变式直流手工弧焊机hm400ⅱ、电弧炉、高真空手动挡板阀、超高真空手动挡板阀、手动挡板阀、循环水装置、氩气瓶。

以下实施例选用的fe-cr-si系合金是fe-5cr-5si铸态合金，对比热喷涂过后以及未热喷涂并进行氧化的试样。

在fe-5cr-5si铸态合金表面形成致密氧化层的方法，包括如下步骤：

步骤1，使用称量天枰按照fe-5cr-5si中各成分的质量比称量制备合金所需的各成分的高纯金属颗粒。

步骤2，将磁控电弧炉内的循环水打开，将称量好的金属颗粒全部置于内熔炼槽的位置，熔炼槽中间位置放置一颗钛粒以此吸收炉内残余氧气，炉内与外界结合处都抹上真空脂，随后闭炉打开分子泵，拧紧对角螺栓，待分子泵达到27000转满转以后，打开低真空挡板阀，待控制器示数显示炉内气压值达到2e0以后关闭低真空挡板阀，打开高真空挡板阀，直到示数显示为2e-3，关闭高真空，打开氩气瓶阀门向炉内通入氩气使炉内恢复一个大气压强，然后关闭氩气打开低真空，以此循环三次，待炉内在高真空状态下稳定，弧焊机打火对金属颗粒进行熔炼，熔炼完毕以后取出试样，制得fe-5cr-5si铸态合金，在真空气氛中均匀化退火1周，使用线切割机将fe-5cr-5si铸态合金切成片状，以便于之后热喷涂的操作，尺寸10×8×1.5mm。

步骤3，使用热喷涂机在步骤2中制得的其中一片fe-5cr-5si铸态合金片表面喷涂一层与fe-5cr-5si铸态合金同成分比的fe-cr-si镀层，fe-cr-si镀层厚度控制在15-20μm。

步骤4，准备两根石英管，分别放入预先配置cr-cr2o3粉堆(即铬粉与三氧化二铬粉末的混合物，铬与三氧化二铬的摩尔比为2:1)，然后抽真空将石英管中部烧凹陷但不闭合，待石英管冷却后将步骤3喷镀完以后的fe-5cr-5si铸态合金片以及步骤2中制得的另一片fe-5cr-5si铸态合金片分别放入石英管抽真空密封。

步骤5，将两根石英管放入深井炉集加热到900℃，保温2小时后取出。

利用扫描电镜(sem)观察合金喷涂后的界面微观组织图，见图1、2。

如图1所示，基体fe-cr-si合金与外侧喷镀上的fe-cr-si合金中间有一层明显的间隙，在该间隙两侧形成一层氧化层，通过能谱测定该氧化层为cr2o3+sio2。通过本发明的实施能够有效减少基体合金的腐蚀氧化，在喷镀层以下形成一层连续的cr2o3+sio2氧化层，阻止的阳离子的向内扩散，保证合金组织的耐蚀性。对比未进行喷涂步骤的铸态fe-cr-si系合金直接进行氧化。如图2所示，会发现由于外应力的作用导致合金基体表面的氧化薄膜破碎脱落(脱落处详见圈内)。因此，通过喷镀一层fe-cr-si系合金以后再进行选择性氧化，相当于内外形成两层氧化膜，内层氧化膜由于形成在镀层与合金基体之间，不会因受到外应力的作用而破碎剥落，这样充分提高了合金的耐蚀性。

观察发现未喷涂的试样表面有形成均匀的一层氧化膜，对其进行成分测试，主要为sio2，此外还有部分cr2o3。但是，在该试样表面出现了部分氧化薄膜破碎剥落的现象，氧化薄膜一旦脱落，其对基体的保护作用便大大降低。而热喷涂试样，本身的微米涂层就能够提高基体一定的抗氧化性以及抗硫化性，间隙处形成的超低氧压而发生的选择性氧化会使氧化膜成分会更均匀。此外，由于热喷涂试样的选择性氧化发生在涂层与基体的连接处，形成的氧化膜不易因受到外应力而导致破坏剥落。对比未喷涂试样能够有效提高选择性氧化制备薄膜的实用性，对基体的保护作用更佳。

本发明的fe-cr-si系合金在喷镀下进行选择性氧化，为金属腐蚀防护提供一种新的选择性氧化方式，在基体和镀层结合处由于低氧压的形成使界面处发生选择性氧化，从而生成连续的cr2o3+sio2氧化层，阻止氧原子的向内扩散起到防护的作用。从根本上改善了fe-cr-si基体合金在特殊气氛下使用而被腐蚀损坏的情况，延长其使用寿命，具有可观的社会效益和经济效益。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。