Co-Al固相相界面的擴散研究*

呂玉榮

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學院交通與材料工程學院，河南 鶴壁 458030）

鈷基合金具有較高的硬度、強度及高溫抗氧化性能[1]。因此，其除了作為電器工業(yè)中良好的磁性材料之外，還在工業(yè)部門獲得了極其廣泛的應用，特別在航天、航空和核能的關(guān)鍵部位所起的作用是其他材料所不能替代的[2]。

課題組采用“鉚釘法”[3-4]將打磨后的Al絲嵌入到Co塊中，制作Co-Al擴散偶樣品，觀察真空燒結(jié)時界面擴散層厚度的變化，從而分析溫度和時間對相界面擴散層厚度的影響并進一步分析Co-Al擴散界面區(qū)的組織特征。

1 試樣制備及方法

實驗采用純度為99.99%的鈷塊和純度為99.97%的鋁絲。試樣制備時，首先，從鈷板上鋸切大約8 mm×8 mm×5 mm的鈷塊，并在鈷塊上鉆直徑為3.7 mm的孔；然后，將鋁絲用小銼銼成底面直徑是3.7 mm、錐度很小的圓錐；最后，將熱膨脹系數(shù)較大的鋁絲打入熱膨脹系數(shù)較小的鈷孔中，使兩者過盈配合，做成“鉚釘式”擴散偶樣品，如圖1所示。

圖1 Co-Al擴散偶示意圖

將制備好的試樣放入真空度為10-3Pa的真空退火爐中進行燒結(jié)，具體燒結(jié)工藝參數(shù)如表1所示。

表1 Co-Al擴散偶試樣燒結(jié)的工藝參數(shù)

試樣真空燒結(jié)完成后，顯微鏡下會觀察到不同的擴散層，文獻[5]中將這個擴散反應區(qū)定義為擴散溶解層。具體示意圖如圖2所示。其中d和D分別表示擴散反應區(qū)的內(nèi)徑和外徑，D1表示不同的擴散層界限。

圖2 試樣燒結(jié)后示意圖

由于所做的試樣較小不易拿，所以采取冷鑲樣法進行鑲樣，然后沿垂直于界面的方向依次進行粗磨、精磨、拋光、腐蝕，并借助光學顯微鏡觀察Co-Al界面擴散層厚度的變化。為了更好地觀察不停變化的擴散層，需要對試樣進行腐蝕。所用腐蝕劑是自己配制的，具體步驟如下：將氯化鐵（10 g）、25%的鹽酸（20 mL）加入100 mL蒸餾水[6]中制成試劑，從已配好的試劑中取出9 mL，再加2滴氫氟酸，從而制成所需腐蝕劑。

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 溫度和時間對擴散層厚度的影響

如圖3所示，為Co-Al樣品真空燒結(jié)腐蝕后在顯微鏡下放大400倍的金相圖片，真空燒結(jié)后在兩組元界面上產(chǎn)生了一定厚度的擴散溶解層。其中，由圖3（a）和（b）可知，當保溫時間相同時，擴散層厚度隨燒結(jié)溫度的升高而增厚；由圖3（c）和（d）可知，當燒結(jié)溫度相同時，保溫時間越長，厚度越大。但是在600℃時，Al絲融化現(xiàn)象嚴重，這是因為溫度已接近鋁的熔點。

圖3 Co-Al樣品燒結(jié)后的金相圖片（腐蝕）×400

為了更好地研究溫度和時間對擴散層厚度的影響，在顯微鏡下測出了不同溫度和不同保溫時間下擴散層的厚度，并將其溫度或時間與厚度的關(guān)系用曲線表示出來，如圖4和圖5所示。

圖4為Co-Al擴散偶在不同溫度下分別保溫50 h時，擴散層的厚度隨燒結(jié)溫度的變化。已知溫度對擴散層生長的影響主要體現(xiàn)在擴散系數(shù)[7]的提高上，公式D=D0exp（-Q/RT）表明，擴散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系變化。由圖4可以看出，隨著燒結(jié)溫度的升高，擴散層厚度也在增長，滿足指數(shù)變化關(guān)系，且550℃后厚度增加較快。

圖4 燒結(jié)50 h時溫度與擴散層厚度的關(guān)系曲線

圖5為Co-Al擴散偶在600℃下燒結(jié)不同時間時，擴散層厚度隨燒結(jié)時間的變化。已有的研究表明[8]，理論上擴散層的厚度與時間符合拋物線規(guī)律。由圖5可以看出，隨著燒結(jié)時間的增加，擴散層厚度也在不斷增長，但是增長速度隨著時間的延長在逐漸減慢，兩者基本滿足拋物線關(guān)系。比較圖4和圖5可知，溫度對擴散層厚度的影響比時間對擴散層厚度的影響顯著。

圖5 600℃下燒結(jié)時間與擴散層厚度的關(guān)系曲線

2.2 Co-Al擴散界面區(qū)的組織特征

在所有的燒結(jié)試樣中，經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，有一個在600℃下保溫28 h的試樣出現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)，經(jīng)過腐蝕后其多層結(jié)構(gòu)更加清晰可見，如圖6所示。試樣經(jīng)過腐蝕后Co與Al之間形成的金屬間化合物被腐蝕成了不同的顏色，說明擴散溶解層是由不同的亞層組成的。從圖中可以看到四層，結(jié)合Co-Al相圖推斷這些亞層均為金屬間化合物層，按照Co原子百分比由大到小 （圖中由左到右）依次為CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。在第三層中還可以看到有明顯的兩條裂紋。對于出現(xiàn)此情況，分析可能是在600℃下燒結(jié)時，由于溫度接近共晶點，在界面上發(fā)生了熔融現(xiàn)象。

圖6 Co-Al樣品燒結(jié)600℃、28 h后的金相圖片

3 結(jié)論

1）燒結(jié)溫度是Co-Al合金界面擴散的首要因素。在相同的保溫時間下，隨燒結(jié)溫度的升高，擴散層的厚度變大。

2）保溫時間是Co-Al合金界面擴散的次要因素。在相同的燒結(jié)溫度下，擴散層的厚度隨保溫時間的延長而逐漸增加，而且擴散層厚度隨時間的延長呈現(xiàn)拋物線規(guī)律的增長，但是增加程度沒有隨燒結(jié)溫度變化的程度明顯。

3）Co-Al擴散偶經(jīng)真空燒結(jié)后，在界面處形成了擴散溶解層，并由四個亞層組成，分別是CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。

4）在整個實驗中，600℃燒結(jié)溫度下擴散層厚度最厚，擴散層最好，可知該燒結(jié)溫度為所選燒結(jié)溫度中的最佳擴散溫度。