D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1999.03.013 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Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗 张旭”杨忠民)董建新”谢锡善”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 摘要采用双层辉光离子渗金属技术在纯铁表面进行Ni-Cr-Mo-Nb多元共渗.结果表明：双 层辉光离子Ni-CrMo-Nb多元共渗可以在工业纯铁表面形成合金元素成分呈梯度分布镍基表 面合金层。对双层辉光离子NiC-MoNb多元共渗存在成分离析现象从合金元素的扩散原理 探讨了其产生的机制. 关键词多元共渗；扩散：双层辉光：离子渗金属 分类号TG156 双层辉光离子渗金属技术是一项表面冶金 2试验结果 新技术，在普通碳钢的表面，可以实现合金元素 的单元渗四和多元共渗2，但是，在双辉多元共 时间对渗层表面合金元素含量的影响见图 渗的条件下，会出现渗层中合金元素比例与源 1a.由图可见，随时间增加，渗层表面Ni含量增 极合金元素比例不同的现象，即渗层成分离析. 高，Cr含量略有增高，Mo,Nb含量降低.影响渗 双辉多元共渗过程非常复杂，包括辉光放电、源 层表面合金元素含量的变化的因素有：(1)源极 极溅射、表面沉积、等离子传输和渗层扩散过 提供合金元素Ni+Cr+Mo+Nb总量在渗层表 程.复杂影响因素造成了渗层成分控制的困难， 面所占比例；(2)源极提供合金元素Ni,Cr,Mo, 本文以Inconel625作为合金元素的供给源，在 Nb之间在渗层中的比率.在双层辉光离子渗金 纯铁的表面渗入镍基合金，采用固定源极，阴极 属技术中，工艺因素对渗层中合金元素总量和 电位，极间距，气压等工艺参数，只改变时间参 各合金元素所占比率都有影响.时间增加，渗层 数的实验方案，来排除辉光放电、阴极溅射等影 表面合金总量增加（图1b),这与普通渗金属过 响观察测量的因素，探讨合金元素扩散对双层 程相似.几种合金元素在渗层表面的比率也发 辉光离子渗金属过程中成分离析的影响规律和 生变化（图1c),随时间增加，渗层表面Ni,Cr元 渗层合金元素离析的形成规律 素比率增加，Mo,Nb元素比率降低.说明Ni-Cr- Mo-Nb多元共渗过程中合金元素的吸收存在离 1试验方案 析现象，共渗前期吸收Mo,Nb较多，共渗后期， 吸收Ni,Cr较多，时间对渗层厚度影响见图1d, 渗金属试验在自制双层辉光离子渗金属炉 随时间增加，渗层厚度增大，它与时间的平方根 中进行，源极材料Inconel625的成分（质量分数/ 近似成正比.时间对源极失重和溅射率的影响 %)为：Ni->58,Cr-20.0-23.0,Fe<5.0,Mo- 见图le,结果表明，源极失重和溅射率都不随时 8.0-10.0,Nb-3.15-4.15,C<0.01,Mn-<0.5,A1 间变化而变化. 一<0.4，Ti一<0.4，Si-<0.015,C0一<1.0.试样材 图2为时间对渗层中合金元素分布的影响. 料为工业纯铁.工艺参数范围：气压30Pa,温度 Ni,Cr,Mo,Nb合金元素在渗层表面含量较高， 1000℃，源极电压1150V,阴极电压400V,极 随深度增加，合金元素含量逐渐下降，在渗层中 间距20mm.时间分别为1,3,5,7,9h 呈梯度分布. 滲金属后试样在扫描电镜下进行能谱分 图3为渗层内不同深度对合金元素Ni,Cr, 析，测定渗层中的合金元素的含量. Mo,Nb含量之间比率的影响.由图可见，在渗 1998-06-30收稿张旭男，32岁，博上生 层的不同深度，合金元素含量之间比率也在发 ◆国家"863"高科技资助项目CNo.7150080050)第 1 卷 2第 3 期 19 9 9 年 月 6 北 京 科 技 大 学 学 报 J u a o r n l oUf n i v e s r yi t o s f c e l ae en n 饱 d l c h n o l o y g B e i j i n g 1 V 6 一 1 2 N o 3 J u e n 19 9 9 双 层 辉 光 离子 iN 一 C r 一 M O 一 N多b 元 共 渗 张 旭 ` , 杨 忠 民 ” 董建新 ” 谢锡善 ” 徐 重 2 , 高 原 ” l) 北京 科技 大学材 料科学与工 程学 院 , 北 京 l。田) 8 3 2) 太原 理工大 学表面 工程研 究所 , 太原 03 0 2 4 摘 要 采 用双层 辉光 离 子渗金 属技 术在纯 铁表面 进行 iN 一 C 卜M。 书七 多元 共渗 . 结 果表 明 : 双 层 辉 光离 子 iN 一 C卜 M o . N b 多元共渗 可 以在工业 纯铁表 面形 成合金 元素成 分呈梯度 分布镍基表 面合 金层 . 对 双层 辉光 离子 iN 一 C 卜M o . N b 多元 共渗存 在成 分离析 现象 从合金元 素的扩 散原理 探讨 了其 产生 的机 制 . 关键 词 多元 共渗 ; 扩 散 : 双 层辉 光 ; 离子渗金 属 分类 号 T G 15 6 双层辉光 离子渗金属技术是一项表面冶金 新技术 , 在普通碳钢 的表面 , 可 以实现合金元素 的单 元渗 `, ,和 多元共渗侧 , 但是 , 在双辉 多元共 渗 的条件下 , 会 出现渗层 中合金元素 比例 与源 极合金元素 比例不 同的现象 , 即 渗层成分离析 . 双辉 多元共渗 过程 非常复杂 , 包括辉光放 电 、 源 极溅 射 、 表面沉积 、 等 离子传输和 渗层 扩 散过 程 . 复杂影 响因素造成 了渗层成 分控制 的 困难 . 本 文 以 I cn o en l 6 25 作为 合 金 元 素 的 供给源 , 在 纯铁 的表面渗入镍基合 金 , 采用 固定 源极 , 阴 极 电位 , 极 间距 , 气压等工 艺 参数 , 只 改变 时间参 数 的实验方案 , 来排除辉 光放 电 、 阴极溅射等影 响观 察测量 的因 素 , 探讨 合金 元素扩散对 双层 辉光 离子渗金属 过 程 中成分离析的 影 响规律和 渗层 合 金 元素离析 的形 成 规律 . 1 试 验方 案 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 I cn on el 6 25 的成分 ( 质量 分数 / % ) 为 : N i一 > 5 8 , C r一2 0 . 0一 2 3 . 0 , F e一 < 5 . 0 , M卜 8 . 0一 10 . 0 , N 卜一 3 . 1 5一1 5 , C一 < 0 . 0 1 , M n一 < 0 . 5冰 l 一 < .0 4, iT一 < .0 4, 51 一 0< . 0 1 5 , C O - 一 l< . 0 . 试样材 料 为工 业纯铁 . 工 艺 参数范 围 : 气压 3 0 P a , 温度 I 0 0 0 oC , 源极 电压 1 15 0 V , 阴 极 电压 4 0 0 V , 极 间距 2 0 un . 时 间分别 为 l , 3 , 5 , 7 , 9 h . 渗 金 属 后 试 样 在 扫 描 电 镜 下 进 行 能 谱 分 析 , 测 定渗层 中的合 金元素 的含量 . 19 9 8 一 06 一 3 0 收稿 张旭 男 , 32 岁 , 博士 生 * 国 家 ” 8 6 3 , , 高科技 资助项 目’(N 0 7 15 0 0 8 0 0 5 0 ) 2 试验结果 时间对渗层表面合金元素含量 的影响见 图 al . 由图可 见 , 随时间增加 , 渗层 表面 N i 含量增 高 , C r 含量略有增高 , M。 , N b 含量 降低 . 影 响渗 层 表面合金元素含量的变化 的因 素有 : ( l) 源 极 提 供合金 元素 N i 十 C r + M o + N b 总 量在 渗层 表 面 所 占比例 ; (2) 源极提供 合 金 元素 iN , cr , M 。 , N b 之间 在 渗层 中 的 比率 . 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 比率都有影 响 . 时间增加 , 渗层 表面 合 金 总量 增加 ( 图 lb ) , 这与普通渗金 属 过 程相似 . 几 种合金 元素 在 渗 层 表面 的 比率也 发 生 变化 ( 图 I c) , 随时 间 增 加 , 渗层 表面 N i , C r 元 素 比率增加 , M o , N b 元素 比率 降低 . 说 明 N i 一 C r - M O 一 Nb 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 M 。 , N b 较多 , 共渗后 期 , 吸 收 N i , C r 较 多 . 时间对渗层 厚度 影 响见 图 l d , 随时间增加 , 渗层 厚度增大 , 它与时间的平方根 近似成 正 比 . 时 间 对源极失重 和 溅射率 的影 响 见图 l e , 结果表 明 , 源极 失重和溅射率都不 随时 间变化而 变化 . 图2 为时间对渗层 中合金 元素分布的 影 响 . iN , rC , M o , Nb 合金 元素在渗层表面 含 量较高 , 随 深度增 加 , 合 金 元素 含量逐渐下 降 , 在渗 层 中 呈梯度分布 . 图 3 为渗层 内不 同深度对合 金元 素N i , C r, M o , ’Nb 含量之 间 比率 的影 响 . 由 图 可 见 , 在渗 层 的不 同深 度 , 合金元素含 量之间 比率也在发 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 03. 013