304不锈钢表面合金化的研究

关宁 郭燕 于阳 赵研 夏杰

（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）

1 实验方法

304不锈钢抗高温氧化性能不够，在高温时会出现表皮脱落现象，实验者设想在304不锈钢表面制备隔热涂层，热障涂层是优异的选择。主要是因为热障涂层热导率较低、抗高温氧化性能优异，耐热冲击性强。但鉴于304不锈钢基体强度硬度较高，尝试利用机械力沉积综合性能较好的硬性涂层有难度，经过反复实验对比，在其上面沉积硬性热障涂层无法保证基体与涂层的结合力，且涂层涂覆不均匀，厚度稀疏，实验者决定在硬质涂层基体上增加延性成分Al，一方面增加基体与涂层的结合力，另外一方面其遇高温可氧化为与热障涂层相同的相结构。综合考虑涂层体系选择Al-ZrO2-Y2O3。

本实验采用尺寸为28 mm×16 mm×5 mm的经过打磨过的304不锈钢基体试样作为基体，经过由粗到细的砂纸打磨后置于具有一定浓度的丙酮溶液中进行超声波清洗，然后经历干燥、涂覆胶黏剂，最后将其置于对应的球磨罐凹槽中固化24 h以上。实验原料为30 g的Al、ZrO2、Y2O3粉末，按质量比为2∶6.5∶1.5进行配比，配好后置于干燥的球磨罐中，然后密封球磨罐，反复抽真空，球料比为9∶1，球磨转速为400 r/min，球磨采用间歇式球磨方式，球磨25 min，空冷15 min，球磨转分别为3 h、6 h和9 h。实验结束将带有涂层的试样取下进行SEM形貌及截面形貌和化学成分双重分析，然后利用硬度仪测试显微硬度，最后采用静态增重法，将试样加热至800℃，保温12 h而后随炉冷却至室温，多次同种操作求平均值，绘制氧化速度-时间曲线。

2 实验结果

2.1 表面形貌分析

图1所示自左向右分别为基体、球磨3 h、6 h和9 h后的试样图，很明显基体表面光滑，球磨后表层形貌和基体有较大区别，球磨后基体表层有涂层沉积，颜色随球磨时间延长逐渐加深。

图1 初步完成试样表面图

图2为球磨3 h和9 h后，基体表面Al-ZrO2-Y2O3复合涂层表面形貌及微区成分分析图，对比表面形貌结果，经过3 h的球磨，由于磨球高速撞击，体系能量迅速增大，基体表层有完整涂层覆盖，但是涂层覆盖不均匀，较疏松，而且存在颗粒仅仅机械粘附的现象，此阶段粉末易破碎和滑落，主要是由于该阶段仅为物理结合[1-3]。

图2 涂层表面形貌及成分分析

当球磨时间延长至9 h，涂层覆盖均匀，颗粒感不强，涂层发生明显塑性变形形成均匀且致密的覆盖层。对其微区进行成分分析发现，该区有较多的Al沉积，这和原始成分配比不同，说明延性较好的金属颗粒先于脆性颗粒沉积，脆性颗粒ZrO2起初以第二相颗粒的形式附着在延性涂层上[4]，而后原始涂层发生塑性变形，在体系能量大量输入的前提下，Al转变为Al2O3，同时基体与涂层间发生原子扩散，借助磨球的机械力作用，ZrO2和Y2O3不断使初始涂层增厚，第二相颗粒起到增强相的作用，颗粒变细、涂层变致密[5-6]。

2.2 显微硬度

图3为不同参数下试样显微镜硬度分布。当球磨转速为400 r/min时，球磨8 h的试样显微硬度的显微硬度影响最大，显微硬度最大值为468HV0.1为基体硬度的2.5倍，且离表层越近，硬度值越高，因为表层熵值最大[7]。由于整个系统机械力的持续输入，随体系温度的增高，初步形成的涂层有序化降低，能量升高，利于机械混合物的形成，且延性成分提高了涂层与基体的结合力。结合图2，不难发现，颗粒细化导致整体强度硬度升高[8]。

图3 不同参数下试样显微硬度分布

2.3 抗高温氧化性能

图4为经过800℃氧化100 h后不同参数设置下试样氧化表面照片，从右到左为依次球磨8 h、5 h和3 h后的试样。对比图1，发现基体严重氧化，球磨时间越长，涂层氧化和脱落现象越不明显。对比其他涂层沉积方法，如电化学沉积及等离子喷涂等获得的试样微观缺陷较明显[7]，该方法成本低且热应力低。

图4 不同参数下试样氧化表面照片

图5为不同试样的氧化增重曲线，保持球磨速度的前提下，球磨时间越长，氧化增重越不明显，基体增重速度最快。可以判定该涂层可明显改善基体的抗高温氧化性能。基于MA获得的延性热障复合涂层不仅有实现性，综合性能优良，而且成本投入少，对设备要求低、对基体也无特殊要求。

图5 氧化增重曲线

3 结论

（1）通过MA-机械合金化成功在304不锈钢基体上获得Al-ZrO2-Y2O3复合涂层；

（2）在球磨转速固定的条件下，捕获表面涂层的微观组织的致密度随球磨时间的延长而得到改善，表层孔洞减小，均匀性增强[9]。

（3）验证了机械力的输入可以成功获得延性-脆性复合涂层。