D0I:10.13374/i.issn1001053x.1999.03.014 第21卷第3期 北京科技大学学报 Vol.21 No.3 1999年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 1999 双层辉光离子渗Inconel625合金 的工艺特性 杨忠民”张旭)谢锡善”董建新”徐重)高原) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)太原理工大学表面工程研究所，太原030024 摘要研究了在试样材料为20钢工业纯铁和18.8不锈钢上双层辉光离子渗inconel625合金 过程的工艺特性及主要的宏观参数对渗层成分的影响规律.结果表明，渗层中合金元素的总含 量及其渗层合金中主要合金元素的单独含量可以通过宏观工艺参数调整而得到控制. 关键词双层辉光：离子渗金属：工艺特性 分类号TG156 双辉多元共渗是一个非常复杂的问题，渗 子渗Inconel625属双辉离子多元共渗：(2)nco- 层成分和质量不仅受宏观工艺参数的影响，而 nel625合金熔点比较低，因而在试验过程中要 且各种合金元素在源极溅射、表面沉积、等离子 保证温度低于合金熔点：(3)考虑到渗Inconel 传输和渗层扩散过程中具有不同的特性，它们 625合金后不进行后续处理，而Inconel625合金 之间还存在复杂的相互作用"1.各工艺参数对 相组成在不同温度下不同，为保证得到单一奥 渗层金属成分的影响，人们曾进行了一系列的 氏体渗层，要求共渗在一定温度下进行：(4)温度 研究，取得了大量的研究成果.本课题是以~ 对渗层成分控制可能会有影响：（⑤）对于每一次 conel625合金为合金元素的供给源，系统地考 实验炉内气压、极间距、温度，以及阴极和源极 察了源极功率和阴极功率、共渗温度、时间对渗 的电流与电压均为恒定值，因此双辉离子滲金 层成分的影响规律，为它在工业上的应用提供 属过程是稳定的动态的能量转换过程：(6)源极 了理论指导， 功率和阴极功率均会对渗金属的结果产生影 响.基于以上认识，采用综合参数即源极和阴极 1试验方法 的输出功率来代替简单工艺参数，结合不同温 渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉 度下的不同输出功率作为主要的实验参数而设 中进行，源极材料为Inconel625,试样材料为20 计了实验. 钢，工业纯铁和18-8不锈钢，源极尺寸为150 21源极与阴极功率比例的影响 mm×50mm×5mm,试样尺寸为50mm×25 源极与阴极功率比例对渗层表面合金含量 mm×3mm.工艺参数范围：炉内压力30Pa,温 (质量分数，下同)的影响见图1.源极与阴极功 度850-1100℃，源极电压730~1400V,阴极电 率比例增加，渗层表面Ni含量明显增加，Cr含 压280-600V,极间距15-20mm. 量略有增加，Mo含量略有下降，Nb含量下降较 大.渗层表面合金元素含量的变化的原因有：(1) 2实验结果与分析 源极提供合金元素Ni+Cr+Mo+Nb总量在 渗层表面所占比例：(2)源极提供合金元素Ni, 在渗nconel625合金的试验中，考虑到双 Cr,Mo,Nb之间在渗层中的比例.在双层辉光离 辉离子渗Inconel625具有以下特点：(I)双辉离 子渗金属技术中，工艺因素对渗层中合金元素 总量和各合金元素所占比例都有影响.从合金 1998-03-30收稿杨忠民男，33岁，博士后 元素总量看，源极与阴极功率比例增大，渗层表 *国家"863"高科技资助项目No.7150080050)
第 卷 第 期 一， ，年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 匕 双 层 辉 光 离子 渗 合金 的工 艺 特 性 杨 忠 民 ‘， 张 旭 ‘， 谢锡善 ‘， 董建新 ” 徐 重 ” 高 原 ” 北京科技大学材料科学 与工 程学 院 ， 北京 太原理工 大学表面工 程研究所 ， 太原 摘 要 研究 了在 试样 材料 为 加 钢 工 业纯铁和 不锈钢 上双层辉光离子渗 合金 过程 的工 艺特性及 主 要 的宏 观参数对渗层成分的影响规律 结果表 明 ， 渗层 中合金元素的总含 量 及 其 渗层 合金 中主 要 合 金 元 素 的单独 含量 可 以通过宏观工 艺参数调整而得到控制 关 键 词 双层 辉 光 离 子 渗 金 属 工 艺特性 分 类号 双辉 多元 共渗 是 一 个非 常 复杂 的 问题 ， 渗 层 成 分 和 质量 不 仅 受宏 观 工 艺 参 数 的影 响 ， 而 且各种合金 元素在源极溅射 、 表面沉积 、 等离子 传 输和 渗层 扩 散过 程 中具 有 不 同 的特性 ， 它们 之 间还存 在 复杂 的相 互 作用 ‘明 各 工 艺 参 数对 渗 层 金 属 成分 的影 响 ， 人们 曾进行 了一系列 的 研 究 ， 取 得 了大 量 的研 究成 果 本课题是 以 合 金 为合 金元素 的供给源 ， 系统 地 考 察 了源极功率和 阴极功率 、 共 渗温度 、 时 间对渗 层 成 分 的 影 响 规律 ， 为它 在 工 业 上 的应用 提供 了理 论 指 导 试验 方法 渗金属 试验 在 自制双层 辉光 离子 渗 金 属 炉 中进行 ， 源 极 材 料 为 ， 试样 材料 为 钢 ， 工 业 纯 铁和 一 不 锈钢 ， 源 极 尺 寸 为 巧 们 们。 ， 试 样 尺 寸 为 们 工 艺 参 数 范 围 炉 内压 力 ， 温 度 一 ℃ ， 源 极 电压 一 ， 阴 极 电 压 一 ， 极 间距 一 实验 结 果 与分 析 在渗 合 金 的试 验 中 ， 考 虑 到双 辉离子 渗 具 有 以下 特 点 双辉 离 一 一 收稿 杨忠 民 男 ， 岁 ， 博 士 后 国家 ” ，，高科技资助项 目困 子渗 属双辉离子 多元 共渗 合金熔 点 比较低 ， 因而 在试验 过程 中要 保证温度低于 合金熔 点 考 虑 到 渗 合金后不进行 后续 处理 ， 而 合 金 相 组 成 在 不 同温度 下 不 同 ， 为保证得 到 单 一 奥 氏体渗层 ， 要求共渗在一 定温度下 进行 温度 对渗层 成 分 控制 可 能 会 有 影 响 对 于 每 一 次 实验 炉 内气 压 、 极 间距 、 温度 ， 以及 阴 极和 源 极 的 电流 与 电压 均 为恒 定值 ， 因 此 双辉 离子渗 金 属 过程 是 稳 定 的动 态 的 能 量 转 换 过 程 源 极 功 率和 阴 极 功 率均 会 对 渗 金 属 的 结 果产 生 影 响 基 于 以上认 识 ， 采用 综合 参 数 即源 极和 阴极 的输 出功 率 来代 替 简 单 工 艺 参 数 ， 结 合 不 同温 度 下 的不 同输 出功 率作 为主 要 的实验 参 数而 设 计 了实验 源 极 与 阴极 功 率 比例 的 影 响 源 极 与 阴极功 率 比例 对 渗层表 面 合金 含量 质 量 分数 ， 下 同 的影 响 见 图 源 极 与 阴极 功 率 比例 增加 ， 渗层 表面 含量 明显 增加 ， 含 量 略有增 加 ， 。 含量 略有下 降 ， 含 量 下 降较 大 渗层 表面合金元 素含量 的变化 的原 因有 源 极 提供 合 金 元素 总 量 在 渗 层 表 面 所 占 比例 源 极 提 供合 金 元 素 ， ， ， 之 间在 渗层 中的 比例 在双层 辉光 离 子 渗 金 属 技 术 中 ， 工 艺 因素对 渗层 中合金 元 素 总量 和 各合 金 元 素所 占比例 都 有影 响 从合金 元素总量看 ， 源 极与阴极功率 比例增大 ， 渗层表 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．03．014
Vol.21 No.3 杨忠民等：双层辉光离子渗Inconel625合金的工艺特性 ·267· 面合金元素Ni+Cr+Mo十Nb总量增加（图 比率增加，Cr元素比率降低，Mo,Nb元素比率 2).功率比增加，源极功率增大，合金元素供给 略有降低 量增大，因而渗层中合金元素含量增加.从各种 2.3时间的影响 合金元素在渗层表面所占比率看，由于源极中 在普通渗金属过程中，一般的规律是时间 合金元素Ni,Cr,Mo,Nb存在一定的比率，研究 增加，合金元素表面含量增加.在双层辉光离子 不同工艺条件下渗层中合金元素的质量比率对 渗金属过程中，时间对渗层表面合金元素含量 控制渗层成分十分重要.源极与阴极功率比率 的影响见图7.随时间增加，渗层表面N含量增 对合金元素Ni,Cr,Mo,Nb在合金元素总质量 高，Cr含量略有增高，Mo,Nb含量降低.时间增 中的比率的影响见图3.Ni,Cr,Mo,Nb比率随功 加渗层表面合金总量增加（图8），这与普通渗 率增加的趋势与图1相似.这一变化规律与几 金属过程相似，时间增加，渗层厚度增加，合金 种合金元素的溅射率有一定的对应关系，Ni溅 元素浓度梯度降低，造成合金元素扩散能力降 射率最大，依次为Cr,Mo,而Nb溅射率最低， 低，因而表面合金元素总量增加.但是，在双层 2.2温度的影响规律 辉光离子渗金属中，几种合金元素在渗层表面 温度对渗层表面合金元素含量的影响如图 的比率也发生变化（图9），随时间增加，渗层表 4.随温度升高，Ni含量基本不变，Cr含量降低， 面Ni,Cr元素比率增加，Mo,Nb元素比率降低， Mo,Nb含量略有降低；温度增加，渗层表面合 说明Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗过程中合金元素的 金元素总量降低（图5）.温度增加，合金元素在 吸收存在离析现象，共渗前期吸收Mo,Nb较多， 渗层中的扩散加强，造成了渗层表面合金元素 共渗后期，吸收Ni,Cr较多.其原因有待于进一 含量的降低.温度对各合金元素在合金元素总 步研究. 含量中的比率的影响见图6.温度升高，Ni元素 80 110 0.8 Ni/Ni+Cr+Mo+Nb 60 100 Ni 0.6 新 90 蟹 40 金 0.4- 80 Cr Cr/Ni+Cr+Mo+Nb 攻 20 包 70 0.2 0 女女 Mo Mo/Ni+Cr+Mo+Nb 4 Nb 60 A Nh/Ni-CMo+NH 0 1 2 3 3 3 0 1 2 3 源极与阴极功率比 源极与阴极功率比 源极与阴极功率比 图1功率比对渗层表面各合 图2功率比对渗层表面合金 图3功率比对渗层表面各合金元素 金元素质量分数的影响 元素总质量分数的影响 (e,w,Ni,Cr,Mo,Nb)比率的影响 70.00 100 0.7 Ni/Ni+Cr+Mo+Nb+ 60.00 Ni 8 5 0.6 七 90 & 40.00 响 蟹 0.4 Cr Cr/Ni+Cr+Mo+Nb 20.00 Mo 晚 如 恒 0.2 0.00 NbA.名 Mo/Ni+Cr+Mo+Nb° 70 NbNi+Cr+Mo+Nb -0.0 0.0 800 900 1000 1100 800 900 1000 1100 800 900 10001100 t/℃ t/C t/℃ 图4温度对渗层表面各合金元 图5温度对渗层表面合金元 图6温度对渗层表面各合金元 素质量分数的影响 素总质量分数的影响 素比率的影响(e,wg)
杨忠 民等 双层辉光离子渗 合金的工 艺特性 面合 金 元 素 十 总量 增 加 图 功 率 比增加 ， 源 极 功率增 大 ， 合 金 元 素 供 给 量增大 ， 因而 渗层 中合 金 元素含 量 增 加 从 各种 合金 元素 在渗层 表面 所 占比率看 ， 由于 源 极 中 合 金 元素 ， ， ， 存在 一 定 的 比 率 ， 研 究 不 同工 艺 条件下 渗层 中合 金 元素 的质量 比率对 控制 渗层 成分十分重 要 源 极 与 阴极 功率 比率 对合金元素 ， ， ， 在 合金 元素 总质 量 中的 比率 的影 响见 图 ， ， ， 比率随功 率增加 的趋势 与 图 相似 这 一 变化 规律 与 几 种合金元素 的溅射率有一 定 的对 应 关 系 ， 溅 射率最大 ， 依 次为 ， ， 而 溅射率最 低 温度 的影 响规律 温度对渗层表面合金元 素含 量 的影 响 如 图 随温度升 高 ， 含量 基本不 变 ， 含量 降低 ， ， 含量略有 降低 温度增加 ， 渗层 表面 合 金元素 总量 降低 图 温度增 加 ， 合 金元 素 在 渗层 中的扩散加强 ， 造成 了渗层表面 合金 元素 含量 的 降低 温度对各合 金 元素在合 金 元素 总 含量 中的 比率的影 响见 图 温度升 高 ， 元 素 比率增加 ， 元 素 比率 降低 ， ， 元 素 比率 略 有 降低 时 间的影 响 在 普通 渗 金 属 过 程 中 ， 一 般 的规 律 是 时 间 增 加 ， 合 金 元 素 表 面 含量 增加 在 双层 辉 光 离子 渗 金 属 过 程 中 ， 时 间对 渗 层 表 面 合 金 元 素 含 量 的 影 响 见 图 随 时 间增 加 ， 渗 层 表 面 含 量 增 高 ， 含量 略有 增 高 ， ， 含量 降低 时 间增 加 渗 层 表面 合 金 总 量增 加 图 ， 这 与普通 渗 金 属过 程相 似 ， 时间增 加 ， 渗 层 厚度增 加 ， 合 金 元 素浓 度梯度 降低 ， 造 成 合 金 元 素扩 散 能 力 降 低 ， 因 而 表 面 合 金元 素 总 量 增 加 但 是 ， 在 双 层 辉 光 离子 渗 金 属 中 ， 几 种 合 金元素 在 渗层 表 面 的 比率也 发 生 变 化 图 ， 随时 间 增 加 ， 渗层 表 面 ， 元素 比率 增 加 ， 。 ， 元素 比率 降低 说 明 一 一 书 多元 共渗过程 中合 金元 素 的 吸收存在 离析现象 ， 共渗前期 吸 收 。 ， 较 多 ， 共渗后 期 ， 吸 收 ， 较 多 其 原 因有待于 进 一 步研 究 刀冈 」 叶 ︸ 八找︸ 」 什 刊七 铃妇锻叹叫巾芝 二二 ，一且 竺 十 什 十 七 一‘ 级众叫妈项巾芝 叫巾戴众饵圳芝 蔽得 叶 源极与阴极功率 比 图 功率比对渗层表面各合 金元素质量分数的影响 源极与阴极功率 比 图 功 率 比对渗层表面合金 元素总质量分数的影响 一 一 ， ‘ 望 一 二 二￡ 一 一 源极与阴极功率比 图 功率 比对渗层表面各合金元素 晰加 总， 卜 ， ， ， 比率的影响 飞 · 诩 十 片 又 月毛 “ 粼尔咧馒镇叫咖芝 七一一 土 一一一一 目 － 一一 一 月呵 」毛什 哥习山报叫如闷芝 缎芝余喇馒烟巾 。 尸一一一心尸 一一 一 一 一一 一 一丝匕一一玄 州 亡十 一 一 匕 ℃ ℃ ℃ 图 温度对渗层表面各合金元 素质量分数的影响 图 温度对渗层表面合金元 素总质垦分数的影响 图 温度对渗层表面各合金元 素 比率的影响 晰加 总
·268· 北京科技大学学报 1999年第3期 80 100 0.8 Ni/Ni+Cr+Mo+Nb a Ni 60 0.6 90 是 40 象 0.4 Cr/Ni+Cr+Mo+Nb 如 Cr 80 20 -0 加 必 0.2 Mo G Mo/Ni+Cr+Mo+Nb Nb 0 70 Nb/Ni+Cr+Mo+Nb 0 2 0.0 46 8 10 0 46 8 10 0 2 46810 t/h t/h t/h 图7时间对渗层表面各合金元 图8时间对渗层表面合金总 图9时间对渗层表面合金比 素含量的彩响 质量分数的影响 率的影响(w,w) 3结论 参考文献 】徐重，王振民，古风英，等.双层辉光离子渗金属，金 (1)利用双辉离子渗金属技术，nconel625合 属热处理学报，1982,2(6)：71 金为合金元素供给源，是可以在纯铁、20钢、 2徐重.双层辉光离子渗金属技术.太原工业大学学 18-8不锈钢的表面上获得与Inconel625合金成 报，1990，增刊：30 3贺志勇，古风英，徐重，等.双层辉光离子镍铬共渗 分相同或不同的表面合金渗层 最佳工艺参数的研究.金属热处理学报，1990,11(9)： (2)通过改变工艺参数是可以控制渗层厚度 64 以及渗层中渗入合金元素成分， 4 Xu Zhong.New Development on Surface Alloying.In: (3)工艺参数的影响规律：源极与阴极的功 Proc.of 5th International Congress on Heat-treatment 率比、渗金属时的温度以及渗金属的时间不仅 Materials.Budapes Hungary,1986.10 对渗层合金的含量产生影响，而且对它们所选 5王从曾，徐重，苏永安，等.不等电位空心阴极放电特 性的研究.太原工业大学学报，1991,21(12)：3 参数的不同也会对渗层合金的元素的总含量产 生影响. Technological Characteristics of Double Glow Plasma Surface Alloying Ni-Base Alloy Inconel 625 Yang Zhongmin,Zhang Xu,Dong Jianxin,Xie Xishan,Gao Yuan,Xu Zhong 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Research Institute of Surface Engineering.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China ABSTRACT The Technological characteristics and effects of technological parameters on the composition of surface alloyed layer on the matrix(20steel,pure iron,18-8 stainless steel)in process of double glow plas- ma surface alloying Inconel 626 has been studied.The results show that changing technological parameters can control the total content of alloyed element and Ni,Cr,Mo,Nb content in surface layer. KEYWORDS double glow plasma surface alloying;technological parameter
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 十卜币 乙只︶ 八 粼众吗喇叫如芝 什 十 住 并秘妇芝习﹂心布卜 加 叶 肠 爪 图 时 间对渗层 表面各合金 元 素 含量 的影 响 只︶﹃ 八 绷佘咽鸣劝芝 、 叫如 爪 图 时间对 渗层 表面合金 总 质 量 分数 的影 响 小 图 ， 时间对渗层 表面 合金 比 率 的影响 晰加日 结 论 利用 双辉离子 渗金属 技术 ， 合 金 为合 金元 素供给源 ， 是 可 以在 纯铁 、 钢 、 一 不 锈钢 的表 面 上 获得 与 合 金 成 分 相 同或不 同 的表 面 合 金渗层 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 工 艺 参 数 的影 响规 律 源 极与 阴 极 的功 率 比 、 渗 金 属 时 的温度 以及 渗 金 属 的 时 间不 仅 对 渗层 合 金 的含量 产 生 影 响 ， 而 且 对它们 所 选 参数 的不 同也 会对 渗层合金 的元素 的总含量产 生 影 响 参 考 文 献 徐 重 ， 王振 民 ， 古风英 ， 等 双层辉光离子渗金属 金 属 热 处 理 学报 ， ， 徐 重 双层辉光 离子渗金属技术 太原工业大学学 报 ， ， 增 刊 贺志 勇 ， 古风 英 ， 徐重 ， 等 双层辉光 离子镍铬共渗 最佳工 艺参数的研究 金属热处理学报 ， ， 昨 丫 王 从 曾 ， 徐重 ， 苏永 安 ， 等 不等 电位空心 阴极放 电特 性 的研究 太原工 业大学学报 ， ， 一 叮 脚 ’， 馆 ，， ‘， ，， ，， 心 ， ， ， ， 触 ， ’ ， ， ， ， 一 ， ，