纳米材料涂层的界面分析

发布时间:2008/6/5 0:00:00 访问次数:318

黄新波，康春霞，贾建援

（西安电子科技大学机电学院，陕西西安 710071）

摘要：采用真空熔烧法制备了钴基合金-碳化钨复合纳米材料涂层，利用电子探针测得了界面两侧元素的浓度分布，结合扩散动力学计算出各合金元素的原子扩散系数。分析了元素扩散对复合纳米材料涂层的显微组织、显微硬度以及界面结合强度的影响，证实纳米涂层与钢基体在界面处发生原子扩散形成冶金结合，结合强度高达385n/mm2。

关键词：扩散系数；浓度；真空熔烧；冶金结合

中图分类号：tg146.1;th117.1 文献标识码：a文章编号：1671-4776（2003）11-0024-03

纳米材料是在20世纪应现代工业对材料的需求而涌现出的具有极大生命力的新型材料，它具有良好的耐磨抗蚀性能、更好的疲劳性能和高的弹性模量[1]。关于界面结合机理的研究是纳米材料研究的一个重要基础，原子在界面处扩散行为强烈地影响了纳米材料的物理和机械性能[2]，其中扩散系数是表征物质扩散能力和热物理化学性能的重要参量[3]。在采用真空熔烧法制备钴基合金碳化钨复合纳米涂层的高温期间，液态钴基自熔性合金和碳化钨与基体进行原子扩散，在界面处形成了牢固的冶金结合[4]。作者从扩散动力学的角度，利用电子探针测得的界面两侧元素的浓度分布，快速计算出各合金原子的扩散系数，深入研究纳米颗粒对真空熔烧涂层的显微组织、硬度梯度以及界面结合强度的影响，以期进一步优化纳米涂层材料的成分、结构和工艺方法。

1计算方法

由于在真空熔烧纳米涂层的过程中各组元浓度发生变化，再加上co，cr，ni等合金元素的影响，实际的原子扩散系数并非恒值。其值可由菲克第二定律[5]来确定

式中，n为扩散元素浓度，d（n）为原子扩散系数，x为相对扩散距离，t为扩散时间。经变换后可得

通常并不知道函数n＝n（x）的解析表达式，为求ｄ（ｎ），只能对实验测定的渗入元素浓度分布曲线进行玻尔兹曼吴野（boltzmann-matano）图解法，但这一过程比较繁琐且人为因素影响很大。作者采用最小二乘法编制了ｆｏｒｔｒａｎ程序，对实验数据进行拟合处理，求得拟合曲线，获得浓度与距离的函数关系，然后根据式(2)求得扩散系数。

2试验方法

2.1纳米粉末

由传统的ｓｆ１钴基自熔性合金（1.3%ｃ，19.0％ｃｒ，3.0％ｓ，13.0％ｗ，3.0％ｆｅ，13.0％ｎｉ，2.0％ｂ，其余ｃｏ，粉末粒度小于50μｍ）和一定比例的纳米钴包碳化钨（82％碳化钨、12％ｃｏ，粉末粒度小于200 ｎｍ）混合而成。

2.2熔烧设备和过程

使用自设计的rz-24-13真空熔烧炉。

首先配制70ｗｔ％钴基合金和30ｗｔ％纳米碳化钨的混合粉末，加松香制成膏剂，涂敷于清洗干净的４５钢表面上，将试样置于真空炉中抽真空度至1.33 ｐａ，加热到1160 ℃，保温５ｍｉｎ，随炉冷却至200 ℃出炉，即获得真空熔烧纳米材料涂层，纳米涂层表面呈银灰色。

2.3试验设备

用扫描电镜（ｊｘａ-840型）对复合纳米材料涂层的表面及横截面的组织结构进行分析；用ｍ型显微硬度计测量纳米材料涂层横截面不同层深的显微硬度值；用ｄ／ｍａｘｒ转ｘ射线衍射仪分析纳米材料涂层中的相组成；用ｊｘａ８４０型电子探针测得合金元素沿层深的分布情况。

3实验结果与计算分析

表１给出用电子探针测得的ｎｉ，ｃｒ，ｓｉ，ｆｅ，ｃｏ等合金元素沿层深的分布情况。为了准确计算合金元素的原子扩散系数，作者采用了５次多项式进行曲线拟合，并根据式（１）、式（２）计算出各合金元素在不同位置处的扩散系数，列于表２。

虽然ｓｆ１合金粉末含有ｓｉ和ｂ等合金元素，使合金的熔点比４５钢的熔点低３７０～４３０ ℃，导致在熔烧过程中母材表面并未溶化。但从计算结果来看，在高温、高真空的条件下，ｓｉ，ｎｉ，ｆｅ，ｃｒ和ｃ等元素仍具有较高的原子扩散系数（≥１０－６ｍｍ２／ｓ）。粉末原料与母材有足够的时间和能量进行扩散，在界面处形成了以化学键为主的冶金结合带，其结合强度远远大于机械结合为主的涂层［４，６］。组元ｃｒ，ｎｉ，ｃｏ等的浓度变化时，其原子扩散系数变化很大。因此在求解扩散方程时，把ｄ假定为恒量与实际是很不符合的。ｆｅ在１１５０ ℃时，和ｎｉ同为面心立