（材料加工工程专业论文）碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算.pdf

沈阳t ：业大学硕十学位论文 摘要 随着现代工业的发展，材料的防护问题逐渐受到关注。在工作中保护材料，延长 材料的使用寿命，目前，最有效的方法就是在材料表面使用涂层。而电弧喷涂方法是制 备涂层方法中最优秀的方法之一。与其它方法相比，它具有很多优良的特性，例如成本 低、效率高、安全性好等。现在，越来越多地人采用电弧喷涂的方法在材料表面喷涂铝 涂层，以达到很好的防护效果。铝涂层所具有的独特的防护特点已经被广泛接受。铝涂 层所形成的氧化铝薄膜能够很好的防止高温氧化腐蚀，有效的阻止了氧化腐蚀的进一步 深入，大大提高了材料的使用寿命。 铝的扩散深度决定了涂层对材料保护能力的大小以及涂层的使用寿命。如果扩散深 度越深，则涂层的保护能力越强，使用寿命越长。铝原子在基体中扩散深度的大小由扩 散系数来决定，因此扩散系数的研究工作是十分重要。 本课题着重对铁铝之间的互扩散系数进行研究，采用电弧喷涂舢工艺在q 2 3 5 a 钢 基体上制备a l 涂层，利用扫描电子显微镜( s e s 0 、x 射线衍射仪( x r d ) 、能谱仪( e d s ) 等现代分析手段研究了电弧喷涂f c a l 涂层的微观结构，探讨了涂层中f c a l 金属间化 合物形成的机理，研究了在一定温度下的扩散机理。 通过对其渗层中铝浓度分布曲线的分析，基于一定的假设，采用有限元差分法分别 计算了8 0 0 ，9 0 0 的渗层中的f e - a i 互扩散系数。结果表明：8 0 0 时互扩散系数是 随着铝浓度的增加而增大的，其数量级变化范围为l f f l 2 1 0 - 1 1 。而9 0 0 c 时互扩散系数 的数量级变化范围为l f f “1 矿”。在相同铝浓度的情况下，9 0 0 c 时的互扩散系数要比 8 0 0 时的互扩散系数大1 个数量级。这也说明了浓度和温度对互扩散系数有较大的影 响。为f e - a i 金属间化合物涂层的生产应用提供了一定的理论基础。 关键词：电弧喷涂，渗层，热扩散，互扩散系数，有限差分法 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 c a l c u l a t i o no fi n t e r d i f f u s i v i t yo ff ea n da ii na l u m i n i d ec o a t i n g a r c s p r a y e do nm i l ds t e e l a b s t r a c t w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f t h e m o d e m i n d u s t r y ，t h e m a t e r i a l p r o t e c t i o n i sg r a d u a l l y g o t t h e a t t e n t i o n n o wi no r d e rt op r o t e c tt h em a t e r i a li nt h ew o r ka n dp r o l o n gt h eu s e f u ll i f eo ft h e m a t e r i a l ，t h em o s te f f e c t i v em e t h o di st ou s ec o a t i n go nt h es u r f a c eo ft h em a t e r i a l a n d e l e c t r i ca r cs p r a y i n gi so n eo ft h em o s te x c e l l e n tm e t h o do f p r e p a r i n gc o a t i n g c o m p a r e dw i t h o t h e rm e t h o d s ，i th a sm a n yg o o dc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h 勰l o wc o s t ，l l i g he f f i c i e n c y ，g o o d s e c u r i t y ，a c t n o wm o r ea n dm o r ep e o p l ea d o p tt h em e t h o do fe l e c t r i ca r cs p r a y i n gt os p r a y a l u m i m d ec o a t i n go nt h es u r f a c eo ft h em a t e r i a li no r d c rt oa c h i e v et h eb e s tp r o t e c t i n ge f f e c t t h ep a r t i c u l a rp r o t e c t i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h ea l u m i n i d ec o a t i n gh a sb e e na c c e p t e db yt h e p u b l i c 1 n h ea l u m i n i u mo x i d ef i l mw h i c h i sp r o d u c e db yt h ea l u m i n i d ec o a t i n gc a n p r e v e n tt h e m a t e r i a lf r o mt h eh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o ne r o s i o n ，a n da l s os u c c e s s f u l l yp r e v e n ti tf r o m e r o d i n gm o r e s oi ti m p r o v e st h eu s e f u ll i f eo ft h em a t e r i a l t h ed i f f u s i o nd e p t ho fa l u m i n i u md e t e r m i n e st h ep r o t e c t i n ga b i l i t yt ot h em a t e r i a la n d t h eu s e f u ll i f eo ft h ec o a t i n g 1 ft h ed i f f u s i o nd e p t hi sd e e p e r , t h ep r o t e c t i n ga b i l i t yo ft h e c o a t i n gi sb e t t e r , a n di t su s e f u ll i f ei sl o n g e r t h ed i f f u s i o nd e p t ho ft h ea l u m i n i u ma t o mi n t h eb o d yd e p e n d so nt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t s ot h er e s e a r c ho nt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n ti s v e r yi m p o r t a n t t h i st o p i cm a l n l yr 器e 缸c h c st h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n to fi r o n - a l u m i n i u m a ic o a t i n g s w e r es p r a y e do nt h es u b s t r a t eo fq 2 3 5 as t e e lb ya r cs p r a y i n g , t h em i c r o s t r u c t u r eo fi r o na l c o a t i n g s i s i n v e s t i g a t e db yt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( t e m ) ，s c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) x - r a ya n a l y s i s ( x r d ) a n de n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r o m e t e r ( e d s ) n e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo fi r o na li n t e r m c t a l l i cc o m p o s i t ed i s c u s s e da n dd i f f u s i o nm e c h a n i s m o f c o m p o s i t ec o a t i n g ss t u d i e du n d e rs p e c i f i ct e m p e r a t u r ei nt h i sp a p e r t h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o de q u a t i o nt h a tw a sb a s e do ns o m ep o s t u l a t i o n sw a s i n t r o d u c e dt oc a l c u l a t et h ei n t e r d i f f u s i v i t yi nt h ea l u m i n i d ec o a t i n g sf o r m e do nq 2 3 5 一as t e e l t h ec a l c u l a t i o ni sb a s e do ft h ea 1w e i 【g h tf r a c t i o ni na l u m i n i d ec o a t i n g sf o r m e do nq 2 3 5 - a s t e e l t h ec a l c u l a t i n gr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ei n t e r d i f f u s i v i t yi n c r e a s e dw i t hi n c r e a s i n ga i c o n t e n ta n dt h a tt h ei n t e r d i f f u s i v i t yr a n g e da m o n g1 0 4 2 1 0 - 1 1 a t8 0 0 。ca n dt h a ta t9 0 0 cw a s u 一 沈阳f 业人学硕十学位论文 a m o n g10 “- 1 0 t h o s er e v e a l e dt h a tt h ei n t e r d i f f u s i v i t yw a sg r e a t l ya f f e c t e db ya 1w e i g h t f r a c t i o ni nt h ea l u m i n i d ec o a t i n ga n dd i f f u s i n gt e m p e r a t u r e sp r o v i d et h et h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ea p p l i c a t i o na n dp r o d u c t i o no fi r o na l u m i n i d ei n t e r m e t a l l i cc o a t i n g s k e yw o r d s ：a r cs p r a y i n g ，c e m e t a t i o nl a y e r ，t h e r m a ld i f f u s i o n ，i n t e r d i f f u s i v i t y ， f i l i i t ed i f f e r e n c em e t h o d i i i 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名鱼是眺芈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，e p 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 签名：泣 导师签名：! 壹虹日期：皇江 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究碳钢渗铝的意义及其在现实中的应用 随着现代工业技术的发展，材料的腐蚀、磨损与防护问题的重要性日益增强。据统 计，发达国家因腐蚀、磨损所造成经济损失在某些发达国家高达国民生产总值的2 4 ； 我国因腐蚀、磨损造成的经济损失也十分巨大，据不完全统计每年因腐蚀、磨损造成的 钢材消耗达1 0 0 万吨以上，造成的间接损失更是难以估计l l 】。腐蚀、磨损造成的工件或结 构失效是从表面开始的，最终导致整体的缓慢失效或工作过程中的突然失效，后者的危 害性更大。为防止在高温、高压、重载、腐蚀介质等环境下工作的工件因表面的损伤而 导致整体破坏，提高工件的可靠性，工件表面施加防护涂层是基本防止措施之一【2 】。 钢铁构件表面的防护涂层大致有两类：一类是隔离涂层，如电镀铬、涂漆及各种有 机涂料等。隔离涂层的缺点是水分及腐蚀介质可穿过涂层孔隙到达钢铁构件基体的表 面。使基体生锈，生成的铁锈鼓起，使保护层破裂，而丧失保护作用。因此，隔离涂层 的作用是有限的、相对短期的；另一类是牺牲阳极涂层，如电镀锌、热浸或喷涂锌、铝 及其合金。这些材料的电极电位比铁更负，根据电化学理论，构成的涂层相对钢来说是 阳极，在腐蚀环境中，它们会牺牲自己，使钢铁基体免受腐蚀1 3 l 。 研究与实践均表明，铝涂层更具有卓越的防护能力。这一方面是因为铝的标准电位 为一1 6 6 0 m v ，而锌为一7 6 0m v ，因此铝的防护能力更优越；同时，锌、铝涂层的差别 还在于它们的腐蚀产物不同：锌的腐蚀产物稍溶于水，而在使用条件下铝的腐蚀产物则 为不溶于水的氧化物【4 l 。因此，锌涂层的保护年限取决于涂层厚度，随时间的推移，涂 层逐渐变薄。而对于铝涂层来说，它的表面氧化物有自愈性能，一旦涂层中的孔隙已经 被不溶解的氧化物封闭，只要涂层不受机械损伤，涂层就不会进一步消耗。铝涂层实际 上起了阳极涂层和隔离涂层的双重作用：铝涂层在其表面没有受到损伤时起着惰性的隔 离防腐涂层的作用，一旦涂层的表面受到损伤它又能提供活性的保护，氧化膜的存在使 铝涂层在水中的溶解速度比按其电化学位所预计的要慢得多：另外，在高温环境中，铝 涂层一方面可能扩散进钢铁基体表面，形成致密的铁铝合金，还在涂层表面形成致密的 a 1 2 0 3 保护膜，特别能耐高温气体氧化腐蚀。铝涂层还有一个优点：其氧化膜对于各种 漆类来说是完全惰性的，漆层可以牢固附着。铝涂层覆盖适当的有机漆类封孔剂所组成 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 的复合涂层，由于封孔剂深入涂层的孔隙中，封闭了涂层孔隙，阻止腐蚀介质的深入， 使涂层与基体不构成腐蚀电池，使防护效果更趋完善1 5 1 。 正是由于钢材渗铝后在钢表面形成铁铝合金层，可以使钢材具有优良的耐热、耐蚀、 抗氧化等性能，因而广泛地应用在石油、化工、交通、海洋等工业设备上 6 - g l 。 西方一些著名的化工公司和设备制造商早已采用渗铝钢制作中热、热热交换器。美 国a l o n 公司用渗铝管制作的s 0 2 - - s 0 3 换热器使用达2 0 年以上都不需停车检修，而 且几乎不产生氧化渣皮。渗铝钢在焦化厂含有机酸、烷、炔和水蒸汽、c 0 2 、硫化物的 混合气体中，当温度在l o o c 左右时，腐蚀速度极其缓慢，因此可用渗铝钢制作焦化厂 的各种加热炉、精馏塔及其管线。还可用渗铝钢制造输油管线和海上石油钻井平台。渗 铝钢用于炼油化工中的裂解和常压减压装置中的炉管，耐蚀效果更加明显。如胜利炼油 厂、抚顺石油二厂用渗铝管制造加热炉和换热器使用4 年以上仍完好无损。南京炼油厂 在减压塔上使用渗铝钢填料，温度为3 0 0 - 3 6 0 ( 2 ，介质为常压重油。通过使用表明，渗 铝钢的耐蚀性能达到不锈钢和1 c r l 3 钢的3 倍以上，产生了明显的经济效益唧。 1 2 渗铝方法的选择 1 2 1 渗铝方法 渗铝的方法较多且技术也较成熟，如粉末渗铝法、热浸渗铝法和热喷涂渗铝法等 0 0 - 1 2 1 。其中，最常用的方法为粉末渗铝法。但对于体积较大的框架类工件来说，采用粉 末渗铝法渗铝，在操作上有较大的难度，而且生产效率比较低【1 2 l 。而热浸渗铝法( 亦称 熔剂法) 虽然在操作上可行，但其所需的设备除了热浸渗铝专业厂外，一般工厂是不具 备的。而可以解决此问题的方法之一，就是采用热喷涂法渗铝【1 3 】。 1 2 2 电弧喷涂渗铝 热喷涂技术是近2 0 多年以来得到迅速发展的一种表面处理工艺【1 4 5 1 。它是通过专 用的技术装备，将所需的金属、非金属材料加热至熔化或半熔融状态，并随高速焰流的 细微粒子沉积于经过预先制备的基体表面形成涂层【1 6 1 。这一技术最大特点在于喷涂材料 可通过精心设计而获得，对基材适应性强，即使是极普通的基体材料也可获得高质量高 性能的表面喷涂层【1 7 1 。热喷涂既可用于产品预保护，也可用于失效工件的再生修复，经 济效益十分显著，在国内外均已获得广泛应用【1 8 1 。现在的热喷涂技术可分为五种：火焰 喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂及爆炸喷涂【1 9 1 。 沈刚i 业人学硕十学位论文 电弧喷涂是将两根被喷涂的金属丝作为自耗性电极，利用两根金属丝端部短路产生 的电弧使丝材熔化，用压缩气体把已熔化的会属雾化成微熔滴，并使其加速，以很高的 速度沉积到基体表面形成涂层的热喷涂方法i 删。在电弧喷涂过程中，两根金属丝被加载 上1 8 卅0 v 的直流电压，每根丝带有不同的极性。它们作为自耗电极，彼此绝缘，并同 时被送丝机构送进。在喷涂枪的前端两根会属丝相遇，引燃产生电弧，电弧使两根金属 丝的尖端熔化。通常采用廉价的压缩空气作为雾化气流，施加到电弧后面的强大雾化气 流将熔化的金属熔滴充分地雾化并加速，喷射到工件表面，形成涂层。如图1 1 所示1 2 1 ： 图1 1 电弧喷涂原理 f i g 1 1t h ep r i n c i p l eo fa r cs p r a y 与其它热喷涂方法相比，电弧喷涂具有其独自的特点：1 ) 其涂层能达到高结合强 度和优异的涂层性能。应用电弧喷涂技术，可以在不提高工件温度、不使用贵重底层材 料的情况下获得高的结合强度，结合强度大于2 0 m p a 一般电弧喷涂涂层的结合强度是 火焰喷涂涂层的1 5 2 j 倍。2 ) 效率高，表现在单位时间内喷涂金属的重量大。电弧 喷涂的生产效率正比于电弧电流，比火焰喷涂提高2 6 倍。3 ) 电弧喷涂的节能效果十 分突出，能源利用率显著高于其它喷涂方法。火焰喷涂的热能利用率只有5 1 5 ，而 电弧喷涂热能利用率高达6 0 - - 7 0 ，能源费用降低5 0 以上。4 ) 电弧喷涂是十分经济 的热喷涂方法。它的能源利用率很高，加之电能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通 常仅为火焰喷涂的1 1 0 。5 ) 电弧喷涂技术仅使用电和压缩空气，不用氧气、乙炔等易 碳钢热喷涂渗锅且扩散系数计算 燃气体、安全性高。6 ) 可以方便地制备合会涂层，电弧喷涂只需要使用两根成分不同 的会属丝就可以制备出合会涂层，以获得具有独特的综合性甜2 2 i 。 正是由于考虑到本实验的实际情况和热喷涂以及其中的电弧喷涂具有以上种种优 点，所以在选择渗铝的方法时，本实验采用电弧热喷涂渗铝。以达到更好的实验效果。 1 3 电弧喷涂涂层形成原理 1 3 1 电弧喷涂涂层的形成过程 电弧喷涂层的形成过程非常复杂，涉及到气体动力学、多相流体力学、冶金热力学、 传热学等诸多领域，因此涂层的形成受多种因素影响，如电弧区温度场、气流速度、气 流压力、基体温度、喷涂气氛等。一般可将电弧喷涂层的形成过程分为3 个阶段【2 3 】熔滴 形成、熔滴雾化及颗粒堆积。 ( 1 ) 熔化雾化过程作为电弧形成两极的两根丝材在电弧喷枪喷嘴外交汇，形成 电弧【2 4 1 ，电弧热通过传导、对流被气流带走一小部分，同时通过辐射散发一小部分，电 弧产生的热量主要集中在电弧区内使得弧柱区温度高达4 0 0 0 6 0 0 0 k 2 5 1 ，丝材端部熔化 形成熔滴。影响这一过程的土要因素是电弧电流、电弧电压、电弧电流波形。熔滴形成 过程直接影响雾化的效果。在止常情况下，仅在喷涂开始时两金属丝材存在瞬间短路状 态。在喷涂过程中，在电弧的作用下两电极丝的端部频繁地发生金属熔化一熔化金属脱 离一熔滴雾化成微粒的过程。在每一过程中阳极和阴极的熔化速度是有差异的，但总的 熔化速度一致。金属丝端部熔化过程中，极间距离频繁地发生变化，在电源电压保持稳 定时，由于电流的自调节特性，电弧电流跟随发生频繁地波动，自动维持金属丝的熔化 速度，电弧电流亦随着送丝速度的增加而增加。 熔滴的雾化效果将直接影响涂层质量。雾化气流的各种特性是电弧喷涂比较重要的 一个工艺参数。雾化气流在电弧喷涂过程中起到两个作用：1 ) 将丝材端部的熔滴拖拽脱 离丝材端部并雾化熔滴：2 ) 加速雾化的熔滴。雾化气流的流速和气体压力对电弧的稳 定性、熔滴的雾化效果都有很大影响。雾化过程中，熔滴与气流将发生动力作用、热作 用及化学作用。其中动力作用就是雾化气流将动量传给的熔滴，使得熔滴雾化并加速飞 行；热作用是指在物化和飞行过程中，雾化气流作为冷却介质对熔滴降温过程；化学作 用是指在雾化和飞行过程中熔滴与雾化气体发生化学反应，如氧化、脱碳等，即质量传 输现象。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 电弧喷涂最关心的问题之一是涂层粗糙度，它决定于雾化后微粒的粗细。影响雾化 微粒粗细的因素较多，主要有：随着雾化气流的压力增高，微粒变细；电弧电压愈高， 微粒愈粗；两根金属丝问夹角小，微粒要细些；低熔点金属比高熔点金属雾化微粒要细。 除以上因素外，喷嘴的结构也影响雾化微粒粗细，采用封闭式喷嘴比敞开式喷嘴能产生 更细的雾化微粒。 雾化后的粒子在压缩空流的推动下飞行，粒子飞行速度初始被加速，而后随着喷射 距离的增加而减速。 ( 2 ) 涂层形成机理在喷涂过程中，被加热到熔化或接近融化状态的合金微粒， 相继以高速喷射撞击处于常温至2 0 0 温度范围内的基材表面，形成鳞片状的相互重叠 的层状结构嘲。t n 为基材预热温度( 用热电偶测量) 。当微粒( 直径d ) 冲击到抛光的 具有新鲜金属表面的基材上，在动能作用下，发生强烈变形，形成d h 的薄片状如图 1 2 所示。 i 二 1 - 一 d x 一 图1 2 微粒变形过程示意图 f i g 1 2t h ed e f o r m a t i o np r o c e s so f p a r t i c l 5 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 最先形成薄片状的合金微粒，与工件表面凹凸不平处产生机械咬合。同时当微粒撞 击基材时，基材原子获得相当高的能量即活化能，与微粒原子可能发生化学反应。随后 飞来的合金微粒击敷在先到的微粒表面，依照顺序堆叠镶嵌而行成一种以机械结合为主 体的喷涂层。这种现象称为“抛锚效果”。 研究证明，微粒飞向基材、撞击、变形过程是各自独立进行的。探索涂层的形成机 理时，可从研究单个微粒的接触相互作用和结果中扩展。有两种情况：首先是微粒同基 材表面问的相互作用；其次是微粒与已喷着的涂层问的相互作用。当直径为d ，高速变 形，流散并冷凝成d x h 的薄片形状时( 图1 2 ) ，微粒和基材在表面相互作用最先形成物 理结合：微粒中大量受热激发的原子，同基材受撞击获得相当高的活化能的原子接触时， 在直径为d 。的表面上，发生原子间化学结合，如基材表面活化程度提高，队扩大、结 合程度就会提高。 经雾化加速后的熔滴将以很高的速度撞击基体表面，撞击过程中熔滴的动能将转化 为热能和变形能 2 7 - 2 8 1 。熔滴在撞击基体时，基体会迅速吸收其热量，熔滴在变形的瞬间 被冷却、凝固，形成圆盘状薄片，即扁平颗粒。熔滴的撞击、变形、冷却的过程称为扁 平化过程，这一过程时间极短，只有1 0 4 l o 巧s 。大量的熔滴扁平化并不断堆积，形成 涂层。在堆积过程中，熔滴与基体撞击后都会发生不同程度的飞溅。扁平颗粒的圆盘状 往往是破碎的，这与熔滴撞击基体表面产生的冲击应力波、基体温度、凝固速度和表面 张力等因素有关例。 熔滴的扁平化堆积过程行为对涂层质量有很大影响，因为大部分涂层缺陷是在这一 过程中产生的。科技人员对这一过程进行了大量的理论和实验研究，并基于能量关系建 立了一些表述扁平化过程的理论模型，如j o n e s 模型、m a d e j s k i 模型。s o b o l e v 通过研究 得出以下结论： 1 、熔滴扁平化动力学过程显著依赖于熔滴尺寸和冲击速度。 2 、在熔滴冲击基体表面的开始阶段，惯性效应起主要作用；随着熔滴的变形和铺 展，粘性流体效应的作用越来越大：在铺展的最后阶段，表面能是主要影响因素。 3 、熔滴动能的绝大部分用于克服铺展时的粘滞力。 4 、表面粗糙度、熔滴的凝固特性及冲击时熔滴的质量损失都将对扁平化行为产生 明显的影响。 6 沈阳工业大学硕士学位论文 喷涂层有以下几种结合形式： l 、机械结合熔融或塑性变形的微粒，冷凝收缩咬紧粗糙不平的金属表面，称为机 械结合。因此，机械结合与基材表面粗糙度有关。采用喷砂、粗车、车螺纹、拉毛或化 学腐蚀等方法来使基材表面粗糙化以提高涂层结合强度。基材表面的粗糙化使熔滴凝固 时的收缩应变停比在局部地方，减少内应力的影响，可以提高结合强度。一般地说，微 粒与微粒之间，基本上也是机械结合所以喷涂层结合的主体是机械结合。 2 、显微冶金结合涂层与基材表面之间相互扩散或形成金属间化合物称为冶金或化 学结合。 3 、物理结合涂层与基材粘附是由范得华力引起的称为物理结合。范得华力是中性 原子或分子作用的力，虽然是很微弱的引力，但计算强度是实际测量强度的l o 倍( 2 0 5 8 2 4 5 h a ：1 0 2 9 3 4 3 m p a ) 。 基材表面或喷涂微粒氧化都会影响范得华力的结合，因此基材表面要求非常清洁。 喷砂能使基材出现异常清洁的高活性的新鲜金属表面，如果立即喷涂，对提高范得华力 有很大作用，可以提高涂层的结合强度。 熔融或半融化的金属微粒喷射到基材表面上时，微粒的凝固速率是极快的。由于熔 滴很快凝固，来不及铺开和不能添足前一层的孔隙，故造成多孔结构。 如前所述，电弧喷涂过程是将两根金属丝短路产生的高温电弧使涂层材料熔化，熔 化的金属液滴再被压缩气体带走，雾化，然后丝材继续被熔化，被带走的重复过程。如 图1 2 所示：s t a g ei ：电弧区热量将丝材末端熔化：s t a g e i i ：熔化的液滴在电弧区飞 行；s t a g e l i i ：金属液滴在空气中的飞行；s t a g e n ：熔滴沉积到基体表面刚。 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 圈1 2 电弧嚼涂工作过程分析 f i 9 1 2t h ea n a l y s i so f w o r k i n gp r o c e s so l la 佗s p r a y 在电弧喷涂过程中，熔化且过热的金属熔滴被空气强烈氧化，喷涂颗粒周围包裹着 一层均匀、连续的氧化膜，成为涂层颗粒的前期界面。如果环境温度不是足够高，涂层 颗粒的前期界面约束金属原子只能在该界面内运动。而当温度升高，并且超过熔点 时，a l 粒子熔化。当涂层中a l 粒子熔化时将产生体积膨胀，蒸汽压增高，最终液态的 舢冲破外面a 1 2 0 3 膜的束缚，向基体金属方向扩散。a l 在扩散过程中与f e 反应生成f e a l 金属问化合物，属于反应扩散 3 1 1 。喷涂层与基体之间的机械结合，强度较低，而冶金结 合发生一定程度的元素扩散，涂层结合性好，可对基体提供有效的保护最终形成由金属 间化合物组成的一定厚度的渗层。 1 4 论文研究的目的、意义及方法 碳钢表面渗铝后可显著地提高其抗高温氧化和抗高温腐蚀的能力。在碳钢基体上面 会形成连续的扩散现象对铝化物渗层的形成和失效至关重要【3 2 1 。尽管电弧喷涂碳钢渗铝 涂层对其抗高温氧化性能具有十分积极的意义，但国内目前对其渗层形成过程中的互扩 散系数定量确定的研究较少，也比较困难。一般文献报道的互扩散系数的，大多为其它 金属或合金的扩散系数，而涉及到电弧喷涂碳钢渗铝的互扩散系数的文献则几乎没有。 故而，研究碳钢渗铝的互扩散系数是必要的，也是目前崭新的课题。尽管目前该类资料 很少，但经过一定量的研究现已取得一些成果。 扩散系数的数值研究对于研究人员以及技术工程师都是很有用处的，在利用数值技 沈阳工业大学硕士学位论文 术来计算和修正互扩散系数的能力大大提高了基于原始扩散系数计算的准确性，在冶金 学方面这种计算精度的提高对于基础理论研究和实际应用种都是又很大的影响的。在这 方面的研究上主要有几种理论，比较早的d a r k e n l 3 3 1 理论，该理论比较简单主要是在理 想固溶体的条件下，优化的条件比较多，在准确性方面比较差，h o w a r da n dl i d i a r d l 3 4 ， m a n n i n g 3 5 1 ，i l 【a i d y 明在其基础上添加了原子的活度，以及活度系数和玻耳兹曼常数 等一系列参数，在提高了计算的应用性。r a k e s h 凡k a p o o r a n d t h o m a sw e a g a r 提出了改良型计算方法，提高了计算的准确度p t 。b o l t 刁m 如m a t a n o 【3 7 1 平面法在扩散理 论方面应用最为广泛，在第四章对其有详细的介绍。 在碳钢表面喷涂铝涂层后，铝在向碳钢基体内扩散时，由于成分变化而在扩散区同 时发生相反应，也即发生反应扩散，其产物为f e 一舢金属问化合物。在8 0 0 和9 0 0 温度下保温l 小时，此时会生成不稳定的f e a l 3 金属问化合物，而后，随着保温时间的 增加会形成稳定的f e 2 a 1 5 金属间化合物。铝不仅会向碳钢基体中扩散，还会向外表层扩 散，与氧原子形成舢2 0 3 氧化物，刖2 0 3 氧化物是表面层最主要的组成相。当然，在铝 向碳钢基体中扩散的同时，铁原子也在向铝层中扩散，它们共同形成了互扩散，最终它 们会在渗层中形成金属间化合物。f c a l 化合物是一种抗氧化性能良好的金属间化合 物，常作为铝化物涂层母体。 由于在扩散过程中，在铝化物层中a l 、f e 元素的浓度随时间而变化，该扩散过程 符合f i c k 第二定律。研究表明可以利用舢原子浓度分布曲线，求解f e 一舢相中元素的 互扩散系数【3 9 1 。虽然b o l t z m a n n m a t a n o 平面法在各种应用中被大量使用，但在求解a j 原子浓度梯度方面由于实验数据的离散性以及实验本身的误差，使计算结果与实验过程 相关。通常在实验中获得的多为一定实验条件下a l 原子浓度分布曲线，很难随机地获 取在渗铝涂层形成过程中a i 原子的分布信息。所以根据f i c k 第二定律，实验条件相当 于方程边界条件，利用获得的a l 原子浓度分布曲线作为方程的解，来求解碳钢热喷涂 渗铝扩散系数 4 0 , 4 1 1 。根据铝化物涂层形成过程中越原子的浓度分布曲线，采用有限差 分法离散f i c k 第二定律反求扩散系数【4 2 1 。本文通过在高于8 0 0 温度下加热电弧喷涂 a l 涂层获得铝化物渗层，研究铝化物层中舢、f e 元素的互扩散系数，了解其扩散本质。 在本实验中采用计算的方法，并结合实验测得的数据研究在8 0 0 、9 0 0 温度下铁 铝的互扩散系数，并找了到可行的、合理的计算方法。 9 一 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 2 实验材料、设备及过程 2 1 实验材料 实验材料如表2 1 所示： 表2 1 实验材料 t a b l e 2 1e x p e r i m e n tm a t e r i a l s 试件 规格为2 0 m i n x l o m m x 5 m m 的长方体块 试件材料 喷涂材料 牌号为q 2 3 5 - - a 的碳素结构钢 含a l 质量分数为9 9 9 、直径为币2 m m 的丝材 2 2 实验设备 2 2 1 电弧喷涂设备 本实验采用沈阳工业大学研制的x d p - - 5 型电弧喷涂设备，该电弧喷涂设备主要是 由喷涂电源、喷涂枪、送丝机构、控制箱、丝盘、送丝软管等组成。其具体结构组成如 图2 1 所示： 图2 1 ) p 一5 型电弧喷涂设备 f i g 2 it h ex d p 一5e q u i p m e n to f a r cs p r a y 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 喷涂电源由熔断器、接触器、电源变压器、整流器、电流表、电压表等组成。输入 3 8 0 v 交流电压，输出2 4 - - 3 8 v 直流电压，并能满足电弧喷涂的其他电特性要求。电弧 是电弧喷涂的热源，而喷涂电源是电弧能量的供应者。喷涂电源的电特性好坏会影响电 弧燃烧的稳定性，而电弧的稳定燃烧又直接影响喷涂过程的稳定性和喷涂质量。x d p 5 型电弧喷涂设备喷涂电源具有平特性的特点，平伏安特性的电源具有良好的弧长自调节 性能，当弧长受到任何外界因素影响发生变动时，它会产生很大的电流值的变化，从而 引起线材熔化速度的变化，并迅速地促进电弧恢复本来的弧长，电弧自调节作用强。短 路电流大，引弧容易。规范调节比较方便，可以对焊接电流与焊接电压单独加以调节， 并且有效防止丝材回烧。 电弧喷涂枪要完成送迸线材后再使线材端很可靠地相交，维持电弧连续燃烧、雾化 与喷射熔化金属这三个基本功能。喷涂枪由绝缘体、导电管、导电嘴、雾化喷嘴等零件 组成。电弧喷涂枪的结构如图2 2 所示： 定心玮譬电嘴 图2 2 电弧喷涂枪的结构 f i 昏2 2t h es u u c t u r eo f a r cs p r a yg u n 压缨空气 对喷涂枪的性能要求： 1 ) 、喷涂枪应重量轻、结构简单，便于调整和维护，手持操作方便。 2 ) 、两根金属丝在枪中的对中性好，保证电弧稳定。 3 ) 、对喷涂金属的雾化性能好，并且不需消耗过多的压缩空气便可获得细密的涂层。 一l l 一 嗡费 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 4 ) 、导电嘴的导电性能好，更换方便。 电弧喷涂时两根金属丝需要以均匀的速度送进到喷涂枪中，金属丝的送进速度依靠 送丝机构来完成。送丝机构由送丝电机、减速器、送丝轮等组成。工作时电动机带动减 速器和送丝轮转动，送丝轮在弹簧的压力下压紧金属丝，随着送丝轮的转动，金属丝将 被向前送进。 电弧喷涂的送丝方法有两种：一种是拉丝式，另一种是推丝式。推丝式的特点是喷 涂枪结构简单轻便，操作及维修方便。推丝式送丝需要经过软管将喷枪和送丝机构连接 起来。电弧喷涂的喷涂质量及生产效率在很大程度上取决于金属丝输送是否稳定可靠 送丝稳定性取决于两方面：一方面与送丝电动机的机械特性、送丝滚动轮结构、送丝滚 动轮对线材的驱动方式及控制精度有关，另一方面更重要的则与线材输送过程中的阻力 有关。 电弧喷涂的控制系统比较简单，在电源与压缩空气都供给以后，只要送丝，就可以 实现喷涂：停止送丝，喷涂也就自动停止。一套完善的控制系统应至少包括：喷涂电流、 喷涂电压、气路的控制以及操作程序上的一些控制。操作更简便，质量控制更容易，设 备的安全性能和可靠性能更高，这些是电弧喷涂设备的宗旨。 2 2 2 实验所用其它设备 电弧喷涂以前需要对工件表面进行一定的预处理，本实验采用表面喷砂处理，其设 备为射吸式喷砂机。射吸式( 吸入式) 喷砂在喷砂过程中，在喷砂枪嘴喷出的高速气流 在周围相成负压，通过吸砂管把磨料从喷砂箱底部的锥型料斗处吸进，带入高速喷出的 气流中。在高速气流中，磨料被加速，喷射到工件基体表面。在封闭的喷砂柜中，撞击 到工件表面的砂粒被弹射，收集在喷砂柜中，经过筛网筛分下落到漏斗内，并被回收循 环使用。磨料可被连续使用直至磨料破碎失去效果。这种喷砂方式设备简单，使用方便， 通常用于小面积或薄壁件及有色金属的喷砂处理。射吸式喷砂枪对于各种各样的小型工 件制备是方便和适用的【4 3 1 。 除射吸式喷砂机以外，还有一些设备。例如，用于提供压缩空气的空气压缩机， 用于加热试件的箱式电阻加热炉，用于观察及获取图象的1 0 0 倍的光学显微镜、扫描电 子显微镜( s e m ) 等。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 2 3 实验设备的连接 电弧喷涂设备主要由喷涂机、喷涂枪、送丝软管、送丝机构、喷涂电源、控制箱等 组成，如图2 3 ： 葛附茸 图2 3 电弧喷涂所需设备的连接简图 f i g p 2 3t h ee q u i p m e n tc o n n e c t i o n o f a r es p r a y 电弧喷涂施工前，应先将施工所需设备按照要求接线连接。电弧喷涂的前一道工序 是喷砂粗化，喷砂与喷涂都需要压缩空气供应，兼顾二者的空气压缩机功率很大。对常 用的射吸式喷砂设备至少需要一台6 m 3 m i n 的空气压缩机供气，电弧喷涂需要一台 3 m 3 m i n 的空气机，如果二者同时进行，则需要至少配备一台9 m 3 m i n 的空气机。由于 空气压缩机和电弧喷涂机的功率都很大，一定选用具有足够导电截面积的电缆接线。为 了安全和设备检修的方便，现场施工所用供电系统，应有独立的电源控制柜。 按要求连接电弧喷涂系统后，就可以分别对各设备进行调试。 ( 1 ) 设定空载电压。在进行喷涂之前，可根据具体的喷涂材料选择空载电压。设 备的空载电压与喷涂时的电弧电压不同，电弧电压是两根金属丝之间的电弧电压与实际 的工作电流以及与设备的电源特性有关：而空载电压是电弧喷涂过程没有开始时设备的 电压表上所指示的电压值。 ( 2 ) 送丝调试。调试送丝机时，应将工作状态开关置于预备状态，接通喷涂开关 或按动喷涂枪上的喷涂按钮时，送丝电机转动，可送丝操作。连接送丝软管和喷涂枪， 将线材送到喷涂枪内，在枪口处可以看到两根金属丝，但不要让它们接触。在将金属丝 送入送丝机构前，金属丝的前端头应用钢锉修整成无棱角的半圆形状，以免在送丝过程 一1 3 一 碳钢热喷涂渗铝互扩散系数计算 中受到阻碍。送丝轮的压紧程度要相当，对较软的金属丝不要过分的压力，以免发生变 形使送丝增加阻力。 ( 3 ) 连接压缩空气管路，并检查压缩空气的供给是否正常。连接好电缆和插头， 即可进入待喷涂状态。 2 3 电弧喷涂设备工艺参数 电弧喷涂的主要工艺参数有四项：电弧电压，工作电流，雾化空气压力和喷涂距离。 2 3 1 电弧电压 喷涂电压是指喷涂时两金属丝间的电弧电压。在电弧喷涂时，两根金属丝被均匀地 送进，在喷涂枪前部两丝尖端产生电弧，欲得到性能稳定和质量可靠的涂层，就需要维 持稳定的电弧电压。它影响着电弧燃烧的稳定性，每一种材料都有自己的电弧稳定燃烧 的最低电弧电压值，电弧电压越低，熔化了的粒子尺寸越小，范围越窄。材料的临界电 压值主要与材料的熔点有关，低熔点的材料，临界电弧电压值低；反之，熔点高的材料， 该电压高。当喷涂电压高于i 阮界电弧电压值后，随着电弧电压的提高，线材尖端的距离 增大，喷涂射流的角度增大，喷涂粒予的颗粒尺寸范围将会增大。随着电弧电压的提高， 喷涂材料的元素烧损倾向增加，尤其是那些容易与氧化合的元素，元素的损失更严重。 要得到高质量的涂层，在保证电弧稳定燃烧的前提下，要选择尽可能低的电弧电压值。 电弧电压越高，电弧越长，这就意味着在保持电弧稳定的前提下，允许两根金属丝在喷 涂枪枪口处的交点偏差越大。在喷涂过程中，有时利用电弧的这个性质，在导电管磨损， 且又没有备用导电管可以用的情况下，通过提供电压来保持电弧的稳定。 2 - 3 2 工作电流 平特性的电弧喷涂设备，喷涂电流直接受到丝材送进速度控制。提高丝材送丝速度， 丝材尖端的间隙减小，由于丝材的间距决定于电弧电压，电源有自动维持电弧电压稳定 的特性，因此，只有增加输出功率，即增大工作电流，使丝材更迅速地熔化才能维持这 个平衡。工作电流正比于送丝速度，也就是说工作电流是喷涂生产率的量度。 较大的工作电流可以得到高质量的涂层，但工作电流的上限往往受到电弧喷涂设备 容量的限制。当工作电流低于某一数值时，电弧也不能稳定燃烧。最低工作电流值不但 与材料有关，还与丝材尺寸截面有关，对一具体规格的丝材来说每种材料都有对应的最 低工作电流值。 一1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 2 3 3 雾化空气压力 雾化空气压力很大程度地决定了喷涂粒子的雾化程度和飞行速度，并影响涂层的性 能。同样的雾化空气压力，对不同的喷枪设计有不同的雾化效果，好的喷枪设计应当使 雾化气流集中在熔化丝材的尖端部位，使高速气流以剪切方式将金属熔滴变成细片状脱 离电弧区，并进一步将其加速和雾化。对具体的喷涂枪说，当喷涂某种丝材时，在其它 工艺参数不变的情况下，高的雾化空气压力将得到高致密的涂层。 有时对某些低熔点材料也不希望有过高的雾化空气压力，因为，材料的熔点较低， 高的雾化压力将使熔滴更细小，加剧熔滴氧化和冷却，在喷涂粒子流到达工件表面之前， 许多比较细小或严重氧化的熔滴将已经凝固和硬化，当撞击到工件表面时就会被反弹 掉，降低喷涂的沉积率。 压缩空气是最经济的雾化气源，在钢铁结构大面积防腐的喷涂施工中，主要是采用 压缩空气作为雾化气体。因此，本实验采用压缩空气来实现雾化。 2 3 4 喷涂距离 喷涂距离是指喷涂枪与工件表面闻的距离。