Co-Al固相相界面的扩散研究*

吕玉荣

（鹤壁职业技术学院交通与材料工程学院，河南 鹤壁 458030）

钴基合金具有较高的硬度、强度及高温抗氧化性能[1]。因此，其除了作为电器工业中良好的磁性材料之外，还在工业部门获得了极其广泛的应用，特别在航天、航空和核能的关键部位所起的作用是其他材料所不能替代的[2]。

课题组采用“铆钉法”[3-4]将打磨后的Al丝嵌入到Co块中，制作Co-Al扩散偶样品，观察真空烧结时界面扩散层厚度的变化，从而分析温度和时间对相界面扩散层厚度的影响并进一步分析Co-Al扩散界面区的组织特征。

1 试样制备及方法

实验采用纯度为99.99%的钴块和纯度为99.97%的铝丝。试样制备时，首先，从钴板上锯切大约8 mm×8 mm×5 mm的钴块，并在钴块上钻直径为3.7 mm的孔；然后，将铝丝用小锉锉成底面直径是3.7 mm、锥度很小的圆锥；最后，将热膨胀系数较大的铝丝打入热膨胀系数较小的钴孔中，使两者过盈配合，做成“铆钉式”扩散偶样品，如图1所示。

图1 Co-Al扩散偶示意图

将制备好的试样放入真空度为10-3Pa的真空退火炉中进行烧结，具体烧结工艺参数如表1所示。

表1 Co-Al扩散偶试样烧结的工艺参数

试样真空烧结完成后，显微镜下会观察到不同的扩散层，文献[5]中将这个扩散反应区定义为扩散溶解层。具体示意图如图2所示。其中d和D分别表示扩散反应区的内径和外径，D1表示不同的扩散层界限。

图2 试样烧结后示意图

由于所做的试样较小不易拿，所以采取冷镶样法进行镶样，然后沿垂直于界面的方向依次进行粗磨、精磨、抛光、腐蚀，并借助光学显微镜观察Co-Al界面扩散层厚度的变化。为了更好地观察不停变化的扩散层，需要对试样进行腐蚀。所用腐蚀剂是自己配制的，具体步骤如下：将氯化铁（10 g）、25%的盐酸（20 mL）加入100 mL蒸馏水[6]中制成试剂，从已配好的试剂中取出9 mL，再加2滴氢氟酸，从而制成所需腐蚀剂。

2 实验结果及讨论

2.1 温度和时间对扩散层厚度的影响

如图3所示，为Co-Al样品真空烧结腐蚀后在显微镜下放大400倍的金相图片，真空烧结后在两组元界面上产生了一定厚度的扩散溶解层。其中，由图3（a）和（b）可知，当保温时间相同时，扩散层厚度随烧结温度的升高而增厚；由图3（c）和（d）可知，当烧结温度相同时，保温时间越长，厚度越大。但是在600℃时，Al丝融化现象严重，这是因为温度已接近铝的熔点。

图3 Co-Al样品烧结后的金相图片（腐蚀）×400

为了更好地研究温度和时间对扩散层厚度的影响，在显微镜下测出了不同温度和不同保温时间下扩散层的厚度，并将其温度或时间与厚度的关系用曲线表示出来，如图4和图5所示。

图4为Co-Al扩散偶在不同温度下分别保温50 h时，扩散层的厚度随烧结温度的变化。已知温度对扩散层生长的影响主要体现在扩散系数[7]的提高上，公式D=D0exp（-Q/RT）表明，扩散系数与温度呈指数关系变化。由图4可以看出，随着烧结温度的升高，扩散层厚度也在增长，满足指数变化关系，且550℃后厚度增加较快。

图4 烧结50 h时温度与扩散层厚度的关系曲线

图5为Co-Al扩散偶在600℃下烧结不同时间时，扩散层厚度随烧结时间的变化。已有的研究表明[8]，理论上扩散层的厚度与时间符合抛物线规律。由图5可以看出，随着烧结时间的增加，扩散层厚度也在不断增长，但是增长速度随着时间的延长在逐渐减慢，两者基本满足抛物线关系。比较图4和图5可知，温度对扩散层厚度的影响比时间对扩散层厚度的影响显著。

图5 600℃下烧结时间与扩散层厚度的关系曲线

2.2 Co-Al扩散界面区的组织特征

在所有的烧结试样中，经过对比发现，有一个在600℃下保温28 h的试样出现了多层结构，经过腐蚀后其多层结构更加清晰可见，如图6所示。试样经过腐蚀后Co与Al之间形成的金属间化合物被腐蚀成了不同的颜色，说明扩散溶解层是由不同的亚层组成的。从图中可以看到四层，结合Co-Al相图推断这些亚层均为金属间化合物层，按照Co原子百分比由大到小 （图中由左到右）依次为CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。在第三层中还可以看到有明显的两条裂纹。对于出现此情况，分析可能是在600℃下烧结时，由于温度接近共晶点，在界面上发生了熔融现象。

图6 Co-Al样品烧结600℃、28 h后的金相图片

3 结论

1）烧结温度是Co-Al合金界面扩散的首要因素。在相同的保温时间下，随烧结温度的升高，扩散层的厚度变大。

2）保温时间是Co-Al合金界面扩散的次要因素。在相同的烧结温度下，扩散层的厚度随保温时间的延长而逐渐增加，而且扩散层厚度随时间的延长呈现抛物线规律的增长，但是增加程度没有随烧结温度变化的程度明显。

3）Co-Al扩散偶经真空烧结后，在界面处形成了扩散溶解层，并由四个亚层组成，分别是CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。

4）在整个实验中，600℃烧结温度下扩散层厚度最厚，扩散层最好，可知该烧结温度为所选烧结温度中的最佳扩散温度。