不銹鋼表面Ａｌ／Ｃｕ涂層制備與第一性原理計算

摘 要：為了研究Ａｌ／Ｃｕ涂層中金屬間化合物的生成順序和形成機理，在３０４不銹鋼基體表面制備了Ａｌ／Ｃｕ涂層。對試樣進行熱處理使得Ａｌ／Ｃｕ涂層原位反應(yīng)生成金屬間化合物，隨后測試了涂層的高溫抗氧化性能。采用第一性原理計算ＡｌＣｕ金屬間化合物的焓、熵、吉布斯自由能和熱容等數(shù)據(jù)。將熱力學(xué)和擴散動力學(xué)相結(jié)合，提出有效生成自由能模型來預(yù)測化合物在Ａｌ／Ｃｕ界面的生成順序。結(jié)果表明：Ａｌ／Ｃｕ涂層中首先形成Ａｌ２Ｃｕ相，在Ａｌ／Ｃｕ界面處出現(xiàn)了ＡｌＣｕ相，加熱時間增加至２０ｈ后出現(xiàn)了富Ｃｕ的Ａｌ４Ｃｕ９相。由第一性原理計算得出，ＡｌＣｕ金屬間化合物的形成順序為Ａｌ２Ｃｕ→ＡｌＣｕ→Ａｌ４Ｃｕ９，與實驗結(jié)果一致。此外，氧化實驗結(jié)果表明，涂層具有良好高溫抗氧化性能。

關(guān) 鍵 詞：Ａｌ／Ｃｕ涂層；３０４不銹鋼；電弧噴涂；等離子噴涂；第一性原理計算；金屬間化合物；抗高溫氧化；熱處理

中圖分類號：ＴＧ１４６ 文獻標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２４）０２－０１６５－０７

３０４不銹鋼由于其具有耐腐蝕性能好，韌性高等特點被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)［１－２］。然而，３０４不銹鋼在高溫條件下極易在表面形成很多如Ｆｅ３Ｏ４ 和Ｆｅ２Ｏ３ 等含鐵氧化物與部分氧化鉻，這些氧化物極易脫落發(fā)生氧化失效［３］。在高溫環(huán)境服役時３０４不銹鋼的氧化和氧脆降低了整體力學(xué)性能，從而限制了其在高溫條件下的使用壽命。高溫氧化行為主要發(fā)生在３０４不銹鋼基體表面，采用表面改性技術(shù)在零部件表面制備耐高溫涂層可以有效提高３０４不銹鋼的抗高溫氧化性能。近幾年，通過在３０４不銹鋼表面制備涂層來提高其抗高溫氧化性能受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注［４］，可以通過化學(xué)反應(yīng)使得ＡｌＣｕ原位形成金屬間化合物膜，進而對３０４不銹鋼進行防護。通常抗高溫氧化涂層主要制備方法包括熱噴涂技術(shù)［５］、激光重覆［６］、化學(xué)氣相沉積［７］和物理氣相沉積［８］。盧壹梁等［９］在３０４不銹鋼表面制備了納米鋁改性有機硅涂層，結(jié)果表明，納米鋁改性有機硅涂層顯著提高了３０４不銹鋼抗氧化性能，經(jīng)１０２８ｈ氧化實驗后基體幾乎未發(fā)生氧化，涂層未出現(xiàn)開裂和剝落。戴汀等［１０］采用磁控濺射技術(shù)在３０４不銹鋼集流體表面制備了ＣｒＣ涂層，研究了該涂層的微觀形貌、物相組成以及在３５０℃熔融多硫化鈉中的耐電化學(xué)腐蝕性能，結(jié)果表明，該涂層能夠有效防止熔融多硫化鈉擴散至３０４不銹鋼基體表面，從而有效保護基體免受高溫熔鹽腐蝕。孫超等［１１］利用直流磁控濺射在３１６奧氏體不銹鋼表面制備了高含鋁奧氏體不銹鋼涂層，研究了該涂層對３１６奧氏體不銹鋼８５０℃下抗高溫氧化性能的影響，結(jié)果表明，該涂層顯著提高了３１６不銹鋼的抗氧化性能。王仲勛等［１２］采用爆炸噴涂方法在２Ａ１２鋁合金基底上制備了ＡｌＣｕＦｅ準(zhǔn)晶涂層，結(jié)果表明，涂層可對基體起到良好熱防護作用，對基體耐磨性具有積極作用，退火處理能夠有效提高涂層硬度、結(jié)合強度等性能。