呂玉榮
(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與材料工程學(xué)院,河南 鶴壁 458030)
鈷基合金具有較高的硬度、強(qiáng)度及高溫抗氧化性能[1]。因此,其除了作為電器工業(yè)中良好的磁性材料之外,還在工業(yè)部門獲得了極其廣泛的應(yīng)用,特別在航天、航空和核能的關(guān)鍵部位所起的作用是其他材料所不能替代的[2]。
課題組采用“鉚釘法”[3-4]將打磨后的Al絲嵌入到Co塊中,制作Co-Al擴(kuò)散偶樣品,觀察真空燒結(jié)時界面擴(kuò)散層厚度的變化,從而分析溫度和時間對相界面擴(kuò)散層厚度的影響并進(jìn)一步分析Co-Al擴(kuò)散界面區(qū)的組織特征。
實驗采用純度為99.99%的鈷塊和純度為99.97%的鋁絲。試樣制備時,首先,從鈷板上鋸切大約8 mm×8 mm×5 mm的鈷塊,并在鈷塊上鉆直徑為3.7 mm的孔;然后,將鋁絲用小銼銼成底面直徑是3.7 mm、錐度很小的圓錐;最后,將熱膨脹系數(shù)較大的鋁絲打入熱膨脹系數(shù)較小的鈷孔中,使兩者過盈配合,做成“鉚釘式”擴(kuò)散偶樣品,如圖1所示。
圖1 Co-Al擴(kuò)散偶示意圖
將制備好的試樣放入真空度為10-3Pa的真空退火爐中進(jìn)行燒結(jié),具體燒結(jié)工藝參數(shù)如表1所示。
表1 Co-Al擴(kuò)散偶試樣燒結(jié)的工藝參數(shù)
試樣真空燒結(jié)完成后,顯微鏡下會觀察到不同的擴(kuò)散層,文獻(xiàn)[5]中將這個擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)定義為擴(kuò)散溶解層。具體示意圖如圖2所示。其中d和D分別表示擴(kuò)散反應(yīng)區(qū)的內(nèi)徑和外徑,D1表示不同的擴(kuò)散層界限。
圖2 試樣燒結(jié)后示意圖
由于所做的試樣較小不易拿,所以采取冷鑲樣法進(jìn)行鑲樣,然后沿垂直于界面的方向依次進(jìn)行粗磨、精磨、拋光、腐蝕,并借助光學(xué)顯微鏡觀察Co-Al界面擴(kuò)散層厚度的變化。為了更好地觀察不停變化的擴(kuò)散層,需要對試樣進(jìn)行腐蝕。所用腐蝕劑是自己配制的,具體步驟如下:將氯化鐵(10 g)、25%的鹽酸(20 mL)加入100 mL蒸餾水[6]中制成試劑,從已配好的試劑中取出9 mL,再加2滴氫氟酸,從而制成所需腐蝕劑。
如圖3所示,為Co-Al樣品真空燒結(jié)腐蝕后在顯微鏡下放大400倍的金相圖片,真空燒結(jié)后在兩組元界面上產(chǎn)生了一定厚度的擴(kuò)散溶解層。其中,由圖3(a)和(b)可知,當(dāng)保溫時間相同時,擴(kuò)散層厚度隨燒結(jié)溫度的升高而增厚;由圖3(c)和(d)可知,當(dāng)燒結(jié)溫度相同時,保溫時間越長,厚度越大。但是在600℃時,Al絲融化現(xiàn)象嚴(yán)重,這是因為溫度已接近鋁的熔點。
圖3 Co-Al樣品燒結(jié)后的金相圖片(腐蝕)×400
為了更好地研究溫度和時間對擴(kuò)散層厚度的影響,在顯微鏡下測出了不同溫度和不同保溫時間下擴(kuò)散層的厚度,并將其溫度或時間與厚度的關(guān)系用曲線表示出來,如圖4和圖5所示。
圖4為Co-Al擴(kuò)散偶在不同溫度下分別保溫50 h時,擴(kuò)散層的厚度隨燒結(jié)溫度的變化。已知溫度對擴(kuò)散層生長的影響主要體現(xiàn)在擴(kuò)散系數(shù)[7]的提高上,公式D=D0exp(-Q/RT)表明,擴(kuò)散系數(shù)與溫度呈指數(shù)關(guān)系變化。由圖4可以看出,隨著燒結(jié)溫度的升高,擴(kuò)散層厚度也在增長,滿足指數(shù)變化關(guān)系,且550℃后厚度增加較快。
圖4 燒結(jié)50 h時溫度與擴(kuò)散層厚度的關(guān)系曲線
圖5為Co-Al擴(kuò)散偶在600℃下燒結(jié)不同時間時,擴(kuò)散層厚度隨燒結(jié)時間的變化。已有的研究表明[8],理論上擴(kuò)散層的厚度與時間符合拋物線規(guī)律。由圖5可以看出,隨著燒結(jié)時間的增加,擴(kuò)散層厚度也在不斷增長,但是增長速度隨著時間的延長在逐漸減慢,兩者基本滿足拋物線關(guān)系。比較圖4和圖5可知,溫度對擴(kuò)散層厚度的影響比時間對擴(kuò)散層厚度的影響顯著。
圖5 600℃下燒結(jié)時間與擴(kuò)散層厚度的關(guān)系曲線
在所有的燒結(jié)試樣中,經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),有一個在600℃下保溫28 h的試樣出現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu),經(jīng)過腐蝕后其多層結(jié)構(gòu)更加清晰可見,如圖6所示。試樣經(jīng)過腐蝕后Co與Al之間形成的金屬間化合物被腐蝕成了不同的顏色,說明擴(kuò)散溶解層是由不同的亞層組成的。從圖中可以看到四層,結(jié)合Co-Al相圖推斷這些亞層均為金屬間化合物層,按照Co原子百分比由大到小 (圖中由左到右)依次為CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。在第三層中還可以看到有明顯的兩條裂紋。對于出現(xiàn)此情況,分析可能是在600℃下燒結(jié)時,由于溫度接近共晶點,在界面上發(fā)生了熔融現(xiàn)象。
圖6 Co-Al樣品燒結(jié)600℃、28 h后的金相圖片
1)燒結(jié)溫度是Co-Al合金界面擴(kuò)散的首要因素。在相同的保溫時間下,隨燒結(jié)溫度的升高,擴(kuò)散層的厚度變大。
2)保溫時間是Co-Al合金界面擴(kuò)散的次要因素。在相同的燒結(jié)溫度下,擴(kuò)散層的厚度隨保溫時間的延長而逐漸增加,而且擴(kuò)散層厚度隨時間的延長呈現(xiàn)拋物線規(guī)律的增長,但是增加程度沒有隨燒結(jié)溫度變化的程度明顯。
3)Co-Al擴(kuò)散偶經(jīng)真空燒結(jié)后,在界面處形成了擴(kuò)散溶解層,并由四個亞層組成,分別是CoAl、Co2Al5、Co4Al13、Co2Al9。
4)在整個實驗中,600℃燒結(jié)溫度下擴(kuò)散層厚度最厚,擴(kuò)散層最好,可知該燒結(jié)溫度為所選燒結(jié)溫度中的最佳擴(kuò)散溫度。