一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法技术

本发明专利技术公开一种含铁铝金属间化合物表面改性层及其制备方法，以铝粉压结体为工具电极，铝粉和煤油混合液为工作液，普通低碳钢为工件；利用普通电火花加工机床在工作液中使电极和工件之间发生脉冲放电，借助放电能量使电极和工作液中的铝元素与工件中的铁元素发生原位合金化反应，并最终在工件表面形成含铁铝金属间化合物的表面改性层。本发明专利技术方法制备的改性层具有组织致密、与基本结合力好等优点，有望在提高结构材料耐蚀耐磨性能的表面改性领域得以广泛应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于工件表面处理方法
，更具体地，涉及一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法。
技术介绍
铁铝金属间化合物(包括Fe3Al和FeAl)具有低成本、较低的密度和显著的高温硫化、氧化抗力以及高硬度和优异的抗冲蚀性能，是极具潜力的高温结构材料。然而，由于其在室温下韧性差,且加工成型困难，从而限制了铁铝金属间化合物的工业应用。利用表面处理技术，在结构材料上制备一层含铁铝金属间化合物的改性层，既避开了其缺点，又能充分发挥其优异的性能。目前多种传统的表面处理技术已用于制备含铁铝金属间化合物的表面改性层，包括机械球磨、物理/化学气相沉积、热喷涂、激光熔覆等。这些方法成功制备了含有铁铝金属间化合物的表面改性层，并发现改性后的工件在抗腐蚀和耐磨损方面的性能都有了不同程度的提高。然而，上述的制备方法仍存在如下显著不足：①设备复杂昂贵、制备环境要求高，如高真空(物理/化学气相沉积)；②前处理复杂，工件表面须达到清洁表面要求；③制备温度高，超过常用结构钢材的回火温度，涂层厚度范围窄，一般小于5μm(物理/化学气相沉积)；④改性层/基结合力差(热喷涂)，多裂纹、微孔等形成缺陷(激光熔覆)，高速重载等恶劣工况下服役效果不理想。因此，探索更加简便和高效的铁铝金属间化合物表面改性层制备方法显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目在于克服现有技术中铁铝金属间化合物表面改性层制备方法的不足，研制设计出一种高效、低成本，组织致密且与基体结合力良好的含铁铝金属间化合物的表面改性层制备方法。以将铝粉压结体为工具电极，铝粉和煤油混合液为工作液，在工具电极和普通低碳钢之间发生脉冲放电，借助放电能量使电极和工作液中的铝元素与工件中的铁元素发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢表面形成含铁铝金属间化合物的表面改性层。本专利技术上述目的是通过以下技术方案予以实现：一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，包括以下具体步骤：S1.将铝粉加入到煤油中，施加持续搅拌，将铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统，调控铝粉体工具电极与普通低碳钢工件之间的间隙，启动电火花加工脉冲电源在普通低碳钢工件与铝粉体工具电极间进行脉冲放电；S3.利用脉冲放电产生的能量使铝粉体工具电极和混于煤油中的铝粉在普通低碳钢工件表面发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢工件表面形成由主相和第二相组成的含铁铝金属间化合物表面改性层。优选地，步骤S1所述铝粉/煤油混合工作液中铝粉在煤油中的浓度为1～6g/L，铝粉粒度为0.5～2μm。优选地，步骤S1所述搅拌时间为5～30min。优选地，步骤S2所述铝粉体工具电极为压缩成型的纯度为>99wt.％的铝粉体，成型压力为10～30MPa，铝粉粒度为0.5～5μm，铝粉体致密度为50～80％。优选地，步骤S2所述间隙距离为50～200μm。优选地，步骤S2所述脉冲放电的参数为脉宽10～100μs，峰值电流3～15A，脉间20～200μs，放电时间5～30min。优选地，步骤S3所述主相为铁铝金属间化合物Fe3Al，FeAl，FeAl2，Fe2Al5或Fe4Al13中的一种或以上；第二相为Fe、Al、非晶碳和Fe3C中的一种或以上。优选地，步骤S3所述主相在含铁铝金属间化合物表面改性层中的质量分数为60～90％。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.高效且低成本：制备过程在工、模具车间常见的电火花加工车床上完成，制备过程中无需加热、抽真空等操作，因此制备成本低。此外，在合适工艺参数下，数分钟内即可制备数微米厚的改性层，制备效率较高。2.普通低碳钢改性层的组织致密且提高其与普通低碳钢基体的结合力：本专利技术采用铝粉/煤油混合液作为工作液，与纯煤油工作液相比，分散于煤油的铝粉除作为改性层的铝源外，还有利于增加局部电场强度，减小击穿电场强度；增大放电间隙，提高放电稳定性；增大放电通道，分散放电能量，从而降低铝粉体工具电极耗损、减少普通低碳钢改性层形成气孔和裂纹缺陷，提高普通低碳钢改性层的均匀性。此外，普通低碳钢改性层中的铁铝金属间化合物由铝粉体工具电极和工作液中的铝粉与普通低碳钢工件中的铁元素原位合金化反应所得，改性层与普通低碳钢基体间呈冶金结合，使改性层与普通低碳钢基体的结合力得到保障。3.本专利技术制备的普通低碳钢改性层是由多个相组成的，其中铁铝金属间化合物是主相，包括Fe3Al，FeAl，FeAl2，Fe2Al5或Fe4Al13等物相，质量分数为60～90％，其余为第二相含有Fe、Al、非晶碳和Fe3C等。主相和第二相的成分和相对含量可以通过铝粉体工具电极成型压力、铝粉浓度和脉冲放电参数来调控，从而实现改性层耐磨和耐腐蚀性能的剪裁。附图说明图1为本专利技术制备含铁铝金属间化合物表面改性层的原理图。其中，1为伺服控制系统，2为铝粉压结体工具电极，3为普通低碳钢工件，4为电火花加工脉冲电源，5为铁铝金属间化合物表面改性层，6为铝粉，7为煤油，8为小型螺旋桨。图2为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层XRD图谱。图3为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层横截面的SEM图。图4为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层的硬度图。图5为实施例1所制备的含铁铝金属间化合物表面改性层在3.5wt.％NaCl水溶液中的动电位极化曲线。具体实施方式下面结合说明书附图和具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例1含铁铝金属间化合物表面改性层的制备S1.向煤油7中加入6gL-1的铝粉6，通过小型螺旋桨8施加持续搅拌30min，将铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统1，将成型压力为10MPa铝粉体工具电极2与普通低碳钢工件3之间的间隙控制到约200μm，启动电火花加工脉冲电源4在普通低碳钢与工具电极间进行脉冲放电；脉冲放电参数设置如下：脉宽100μs、峰值电流6A，脉间200μs，放电时间5min。S3.利用脉冲放电击穿工作液，在工具电极和普通低碳钢工件间形成高能等离子体放电通道，利用此时产生的具大热量熔化铝粉体工具电极材料和放电通道周边的混于工作液的铝粉，并借助此时产生的热爆炸力等多种作用力把上述熔化的铝源转移至放电通道在普通低碳钢工件表面所形成的铁源微熔池中，发生原位合金化反应，形成含铁铝金属间化合物表面改性层5。图1为本专利技术制备含铁铝金属间化合物表面改性层的原理图。本专利技术首先将一定量的铝粉6混入煤油7中作为工作液，并用小型螺旋桨8对铝粉/煤油混合液持续搅拌，以提高铝粉在煤油中的分散性。利用普通电火花加工机床的伺服控制系统1，将工具电极2与普通低碳钢工件3之间距控制到合适的间隙，电火花加工脉冲电源4在普通低碳钢工件3与铝粉压结体工具电极2间进行脉冲放电。脉冲放电击穿工作液后形成高能等离子体放电通道，由此产生的具大热量熔化工具电极材料和放电通道周边的混于工作液的铝粉，并在工件表面形成微熔池。在以热爆炸为主的多种作用力下，熔化的工具电极材料和混于工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1.将铝粉加入到煤油中，施加持续搅拌，使铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统，调控铝粉体工具电极与普通低碳钢工件之间的间隙，启动电火花加工脉冲电源在普通低碳钢工件与铝粉体工具电极间进行脉冲放电；S3.利用脉冲放电产生的能量使铝粉体工具电极和混于煤油中的铝粉在普通低碳钢工件表面发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢工件表面形成由主相和第二相组成的含铁铝金属间化合物表面改性层。

【技术特征摘要】
1.一种含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1.将铝粉加入到煤油中，施加持续搅拌，使铝粉在煤油中充分分散，形成铝粉/煤油混合工作液；S2.采用电火花加工机床的伺服控制系统，调控铝粉体工具电极与普通低碳钢工件之间的间隙，启动电火花加工脉冲电源在普通低碳钢工件与铝粉体工具电极间进行脉冲放电；S3.利用脉冲放电产生的能量使铝粉体工具电极和混于煤油中的铝粉在普通低碳钢工件表面发生原位合金化反应，最终在普通低碳钢工件表面形成由主相和第二相组成的含铁铝金属间化合物表面改性层。2.根据权利要求1所述的含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，其特征在于，步骤S1所述铝粉/煤油混合工作液中铝粉在煤油中的浓度为1～6g/L，铝粉粒度为0.5～2μm。3.根据权利要求1所述的含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，其特征在于，步骤S1所述搅拌的时间为5～30min。4.根据权利要求1所述的含铁铝金属间化合物表面改性层的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：麦永津，揭晓华，连玮琦，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44