中科院金属所Nature子刊：一种超速金属表面改性技术

张小台 7年前 (2016-12-20) 5385浏览

【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）

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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

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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

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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

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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.10µm

【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。

文献链接：A general strategy for the ultrafast surface modification of metals （Nat.Commun.,2016，DOI: 10.1038/ncomms13797）

本文由材料人编辑部金属材料学术组张怡整理编译，点我加入材料人编辑部。

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