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南京航空航天大学
硕士学位论文
碳钢表面机械合金化制备高Cr合金层的研究
姓名:黄真
申请学位级别:硕士
专业:材料加工工程
指导教师:沈以赴
20080301
南京航空航天大学硕士学位论文
摘要
机械合金化过程中,粉末在经历冷焊和细化的同时,其中一部分粉末吸附
在磨球表面及罐壁上,经过反复挤压和冷焊,形成一定厚度的涂层。根据这一
原理本文从三种不同的粉末体系出发,配以一定的球磨工艺参数,首次在管状
碳钢材料内壁成功制备了高 Cr 合金层。采用 X 射线衍射(XRD)、扫描电镜
(SEM),能谱仪(EDS)及透射电镜(TEM)等对合金层进行显微组织、化
学成分和相结构分析,并进行显微硬度测试、热震实验、循环氧化实验、阳极
氧化实验来测试合金层相关性能。
实验首先以纯 Cr 粉为合金层原始粉末,分别设定 300r/min,400r/min,
500r/min 三种球磨转速。发现高 Cr 合金层的厚度受机械球磨工艺参数的影响,
且在合金层和基体结合处存在扩散现象。对含 10wt%RE-Si-Fe 和 20wt%Al 粉所
制备的合金层的显微组织分析发现,稀土元素和 Al 能有效增加 Cr 的沉积率,
提高合金层的厚度和扩散层厚度。
合金层的性能测试表明,高 Cr 合金层的显微硬度相对原始基体均有较大程
度的提高,且界面结合处的硬度呈现梯度分布,抗高温氧化能力和耐蚀性相对
于基体也有较大的提高。在球磨转速为 500r/min 条件下,抗氧化性能和耐蚀性
最为优良。添加稀土元素后,合金层的抗剥落能力得到很大提高,试样在
%NaCl 溶液中的腐蚀性得到较大改善。添加 Al 使得合金层抗剥落能力得到
一定程度的提高,合金层表面抗高温氧化能力要强于纯 Cr 粉合金层试样。
在研究 MA 技术制备高 Cr 合金层的机理时认为,球磨过程中,由于磨球对
试样表面的摩擦及剪切作用,导致试样表面处于高度激活态,促进了 Cr 粉与试
样表面的结合。Fe、Cr 原子彼此相互扩散,形成冶金结合的合金层,同时冷焊
而成的复合 Cr 粒子继续与试样表面发生冷焊作用,使合金层往外生长。

关键词:机械合金化;Cr 合金层;球磨转速;稀土;Cr-Al 合金层;



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碳钢表面机械合金化制备高 Cr 合金层的研究
ABSTRACT
During mechanical alloying (MA) process, the powder undergoes cold welding
and the resulted refinement. Meanwhile, due to the repeated impacts and cold
welding, a fraction of powder tends to adhere to the surface of balls and the inner wall
of the container, so as to form a coating layer. Based on this principle, the present
paper reports the studies on high content Cr coating layer prepared by ball milling.
X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive
X-ray spectroscopy (EDS), transmission electron microscopy (TEM) were used to
investigate the microstructure and elemental distribution. Micro-hardness test, heat
shock experiment, high temperature oxidation experiment and electrochemical
corrosion technique were carried out to study the properties of as-prepared coating
layers.
A high-content Cr coating layer was obtained on the inner surface of tubular
substrate buy using ponent Cr powder and diffe