双层辉光离子渗镍基合金Inconel 625

张旭 杨忠民 董建新 谢锡善 徐重 高原

摘 要 采用双层辉光离子渗金属技术在20钢、工业纯铁、18-8不锈钢3种材料表面进行表面合金化。结果表明：可以在3种材料表面获得成分类似于镍基合金Inconel 625及与Inconel 625不同的表面合金渗层。并对渗层成分控制、组织结构和耐蚀性进行研究。 关键词 双层辉光 镍基合金 离子渗金属

Double Glow Plasma Surface Alloying using Nickel

Base Alloy Inconel 625

Zhang Xu, Yang Zhongmin, Dong Jianxin and Xie Xishan (University of Science and Technology, Beijing 100083)

Xu Zhong and Gao Yuan

(Taiyuan University of Technology)

Abstract The double glow plasma surface alloying using nickel base alloy Inconel 625 on the 0.20% C steel, commercial pure iron and 18-8 stainless steel has been carried out. The results show that compositions of surface alloying layer which was similar or different to the alloy Inconel 625 were obtained. And the composition control, the microstructure and the corrosion resistance of the alloying layer have been studied.

Material Index Double glow, Nickel Base Alloy, Plasma Surface Alloying

双层辉光离子渗金属(双辉渗金属)技术［1，2］是一项表面冶金技术，它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化学性质的表面合金层。表面层的合金元素含量可达90%以上，合金层的厚度可达几百微米以上。双辉渗金属技术的出现，使镍基合金的表面冶金成为可能。

［3］

多年来，对Ni、Cr、W、Mo等合金元素的单元渗和Ni-Cr、W-Mo、Ni-Cr-Mo等多元共渗［4，5］进行了研究。双层辉光离子渗金属技术在抗腐蚀和抗氧化方面的应用也取得一定的进展，双辉铬镍共渗成功地应用于化工机械等部件，A3钢板铬镍共渗可以得到高合金含量的Ni-Cr合金渗层［4］。

Inconel 625合金是以Nb、Mo为主要强化元素的固溶体强化型镍基合金，具有良好的机械性能、耐蚀性、可焊性和加工性能。

Inconel 625作为合金元素的供给源，利用双层辉光渗金属技术在纯铁、低碳钢及不锈钢18-8的表面形成Inconel 625镍基合金层，用来代替整体镍基合金工件以节约大量贵重金属，降低成本，应用于工业领

域将会有较好的经济效益。 1 试验方法

渗金属试验在双层辉光离子渗金属炉中进行(图1)。源极材料为Inconel 625合金板，合金成分见表1。其尺寸为150 mm×50 mm×4 mm。工件材料为20钢、工业纯铁、18-8不锈钢。渗金属试验工艺参数范围为：气压30 Pa,温度850～1 100 ℃，源极电压730～1 400 V，阴极电压280～600 V，极间距15～20 mm。

渗金属后试样在扫描电镜下进行能谱分析，测定渗层中合金元素含量。

试样在HCl+H2O2+H2O腐蚀剂中进行化学侵蚀后，在扫描电镜下观察金相组织。

表1 Inconel 625合金成分/%

Table 1 Composition of alloy Inconel 625/%

Ni Cr Fe Mo Nb C Mn Al Ti Si Co ＞58 20.0～23.0 ＜5.0 8.0～10.0 3.15～4.15 ＜0.01 ＜0.5 ＜0.4 ＜0.4 ＜0.015 ＜1.0

图1 双层辉光离子渗金属试验装置示意图

Fig.1 Sketch of device for double glow plasma surface alloying 试样在X-射线衍射仪下进行相结构分析。

采用M351电化学测试系统测定渗层的极化曲线。腐蚀介质3.5%NaCl溶液，参比电极为饱和甘汞电极，扫描速度：20 mV/min。 2 试验结果及分析

2.1 Inconel 625表面合金层的形成

在不同的工艺参数下即可得到符合Inconel 625合金成分的渗层，也可以得到与Inconel 625成分不同的渗层(见表2～表4)。渗层中合金元素呈梯度分布，表面合金元素浓度梯度较小，而且有一定厚度，这有

利于保证渗层表面性能；随深度增加，浓度梯度增加，并逐步过度到基材成分，这有利于表面合金层与基材的结合。 2.2 工艺参数的影响规律

共渗温度增加，渗层表面合金Ni+Cr+Mo+Nb总量减少，渗层厚度增加(图2、3)。源极功率提高，渗层表面合金Ni+Cr+Mo+Nb总量增加，渗层厚度也增加。以上结果表明：源极功率，阴极功率与渗层的合金总量以及渗层的厚度之间存在着某种相互关系。通过人为地调整工艺参数是可以控制渗层的渗入合金总量和渗层的厚度的。其影响多元共渗规律主要因素与源极的溅射总量和合金元素在试样中的扩散速度有关。 表2 12#试样(1 000 ℃)表面渗层成分分布(纯铁)

Table 2 Composition of alloying layer on pure iron， specimen

No.12 at 1 000 ℃

离表面深度 /μm Ni 0 8 16 24 28 32 40 48 56 64 72 渗层成分/% Cr Mo Nb Fe 64.14 19.14 7.25 2.23 7.25 62.89 19.26 5.90 1.98 9.98 60.32 18.89 4.94 1.49 14.36 56.94 18.60 3.68 0.68 20.09 55.19 17.93 3.09 0.54 23.25 53.52 17.59 2.75 0.56 25.57 51.60 17.08 2.35 0.34 28.63 45.71 15.83 2.07 0.29 36.90 25.28 10.44 1.16 0.16 62.95 5.45 4.32 0.69 0.11 89.43 0.62 0.99 0.07 0 98.32 表3 8#试样(1 000 ℃)表面渗层成分分布(20钢)

Table 3 Composition of alloying layer on low carbon steel，

specimen No.8 at 1 000 ℃

离表面深度 /μm Fe 0 3.5 7 14 28 40 渗层成分/% Cr Ni Mo Nb 17.43 22.42 51.41 5.31 3.44 18.84 18.41 56.66 4.10 2.35 18.10 24.69 51.16 4.49 1.56 21.78 23.98 47.75 4.39 2.10 35.63 12.88 48.45 2.22 0.82 83.35 6.62 9.32 0.80 0 表4 6#试样(850 ℃)表面渗层成分分布(基材纯铁)

Table 4 Composition of alloying layer on pure iron， specimen

No.6 at 850 ℃

离表面深度 /μm Fe 0 3 6 12 18 21 24 渗层成分/% Cr Ni Mo Nb 4.56 26.77 56.52 9.29 2.86 5.24 29.45 54.81 7.97 2.53 7.42 30.81 51.64 7.73 2.40 16.62 23.95 48.73 8.13 2.57 54.48 8.83 33.41 2.53 0.74 81.17 4.43 13.68 0.72 0 91.63 1.84 3.41 3.13 0 2.3 渗层组织结构

(1) 金相组织

渗层金相组织SEM照片如图4所示，照片上显示渗层比较均匀、连续、致密。其中白色点状相经扫描电镜能谱分析发现其成份中Nb、Mo含量比较高，是碳化物或者是金属间化合物。这一结论被以后X-射线衍射结果所证实。

图2 温度对渗层中合金总量和渗层厚度的影响

Fig.2 Effect of temperature on total content of alloying element

and thickness of alloy layer

图3 功率比对渗层中合金总量和渗层厚度的影响

Fig.3 Effect of ratio of power on total content of alloying

element and thickness of alloy layer

图4 渗层金相组织

Fig.4 Microstructure of surface alloying layer

(2) 相组成

对渗层表面X-射线衍射结果初步表明：双层辉光离子渗镍基合金表面渗层的相组成为奥氏体基体+少量析出相，析出相为NbC和Laves相。 2.4 渗层的耐腐蚀性能

渗层与Inconel 625在3.5%NaCl溶液中极化曲线表明：在18-8不锈钢基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金渗层耐腐蚀性能优于Inconel 625。在纯铁基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金渗层耐腐蚀性能与Inconel 625相当。在20钢基材上形成的Ni-Cr-Mo-Nb合金渗层耐腐蚀性能低于Inconel 625。 3 结论

(1) 利用双辉离子渗金属技术，以Inconel 625为合金元素供给源，是可以在纯铁，20钢，18-8不锈钢的表面上获得与Inconel 625成分相同或不同的表面合金渗层。

(2) 通过改变工艺参数是可以控制渗层厚度以及渗层中渗入合金元素成分。

(3) 渗层组织均匀致密，为奥氏体基体+少量析出相，析出相为NbC和Laves相。

(4) 在18-8不锈钢基材上形成的合金渗层耐蚀性优于Inconel 625。在纯铁基材上形成的渗层耐蚀性与Inconel 625相当。 本课题为国家863计划资助项目。

作者单位：张旭 杨忠民 董建新 谢锡善 北京科技大学， 北京 100083

徐重 高原 太原理工大学 参考文献

［1］徐 重，王振民，古风英，范本惠，肖丽华，赵晋香.双层辉光离子渗金属.金属热处理学报，1982：6，71 ［2］Zhong Xu US Patent (4):520,268

［3］徐 重.双层辉光离子渗金属技术.太原工业大学学报，1993增刊，60

［4］范本惠.双层辉光离子渗金属多元共渗的研究.机械工程材料，1991：4，10

［5］Zhong Xu etc. Surface Alloying Simplified. Advanced Materials & Processes, 1997: 12,33。张 旭，男，32岁。1993年毕业于沈阳工业大学，获硕士学位。现在北京科技大学材料学院攻读博士学位。