高性能金属硅化物层(Fe3Si和MoSi2)的熔盐渗制备及应用研究

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含共价键和离子键的Fe-Si和Mo-Si金属间化合物材料,强度大、硬度高、耐腐蚀和抗磨损性能优、高温抗氧化能力强,但该类材料作为结构材料应用时存在脆性大、抗氧化性能有待改善等不足。从拓宽Fe-Si和Mo-Si材料的广泛应用角度出发,考虑作为膜层材料使用时,可实现对基材的防护,同时可有效降低硅化物脆性大的问题,从便于工程化应用角度出发,提出采用电镀(含复合电镀)联合熔盐非电解处理来制备高性能的Fe-Si和Mo-Si金属硅化物的新思路,对比研究了表面合金化Fe-Si和Mo-Si复合渗层制备对2Cr13钢材和钼合金表面抗蚀、耐磨性能和高温抗氧化性的影响,这一研究发展了熔盐非电解渗技术,并获得了复合电镀联合熔盐非电解处理制备高性能Fe-Si和Mo-Si金属硅化物复合渗层的新技术途径。研究取得的重要结果包括:(1)采用表面先电镀30?m的Ni层,再复合熔盐渗硅在800℃保温不同时长可制备出不同厚度的复合硅化物渗层,渗层形成经历了从表面Ni依次转变为Ni3Si,Ni2Si及出现Fe5Si3,最终为Fe5Si3和Ni2Si复合硅化物的演变过程,所形成的复合渗层能不同程度地增加表面硬度,提高耐磨性能起到防护作用。虽然熔盐渗硅层的耐蚀性不及表面电镀Ni层的耐蚀性,但均不同程度地具有一定的钝化特性,而在硫酸溶液中较为耐蚀,其中3 h渗硅复合处理渗层的耐蚀性最好,这归因于Fe5Si3在硫酸中具有比较好致钝和钝化作用,使具有Fe5Si3和Ni2Si的渗层的耐蚀性优于单纯的Ni2Si渗层。(2)通过先复合电镀3~5?m镍层,后在800℃保温4 h的条件下熔盐渗硅可制备出致密的Ni合金化的Fe3Si复合渗层,对比所制备出的4种Fe3Si渗层的抗腐蚀性能和耐磨性,发现3种Ni合金化Fe3Si渗层的耐磨性和耐腐蚀性均大于直接渗硅制备的Fe3Si渗层,其腐蚀速率数值和磨损体积损排序均为:Fe3Si<(N i)-Fe3Si<(Ni-CeO2)-Fe3Si<(N i-SiC)-Fe3Si,这一规律说明由于受不同合金化元素种类的作用使形成的合金化Fe3Si渗层具有不同结构,从而表现出不同的硬度、韧性和电化学腐蚀性能。这一复合技术具有操作简便、经济效益突出的,工程适用性强的优点。(3)在钼合金TZM表面采用电镀和中性熔盐渗硅复合处理技术制备出含有合金化元素(Ni)-、(Ni-SiC)-和(Ni-CeO2)-的MoSi2金属化合物。TZM直接渗硅后得到的渗层可以有效提高TZM的高温抗氧化性。且Ni-CeO2复合镀层和熔盐渗硅制备的镍合金化MoSi2/CeO2渗层的“pesting”抑制能力最强。但电镀N i层以提供合金化元素得到的合金化MoSi2渗层的高温抗氧化性不及直接渗硅得到的MoSi2渗层的抗氧化性。
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