碳钢表面涂覆的Al?O?纳米颗粒增强的Al-20Sn-1Cu金属基纳米复合涂层中的微观结构表征及金属间Fe-Al相的形成

《Journal of the Indian Chemical Society》：Microstructure characterization and intermetallic Fe-Al phases formation in Al 2O 3 nanoparticle-reinforced Al-20Sn-1Cu metal matrix nanocomposite coating on carbon steel

通过气 tungsten arc welding工艺在碳钢表面制备Al-Sn-Cu纳米复合涂层，研究发现添加0.25 wt.% Al2O3纳米颗粒可优化界面微结构、提高硬度和耐磨性，而0.50 wt.%含量导致颗粒团聚，摩擦系数上升。控制热输入和纳米颗粒含量对性能至关重要。

　　

塔亚布·苏巴尼（Tayyab Subhani）、K.M. 哈菲兹（K.M. Hafez）、阿卜杜勒·哈利克（Abdul Khaliq）、纳格拉·法蒂（Naglaa Fathy）、S.M. 阿尔-肖马尔（S.M. Al-Shomar）、K.S. 阿卜杜勒·哈利姆（K.S. Abdel Halim）、巴德雷丁·阿亚迪（Badreddine Ayadi）、萨巴赫·阿塔亚（Sabbah Ataya）、穆罕默德·拉马丹（Mohamed Ramadan）

海伊尔大学工程学院（College of Engineering, University of Ha’il），邮政编码2440，沙特阿拉伯海伊尔（Hail, Saudi Arabia）

摘要

为了提高耐磨性，在碳钢表面制备了添加了Al₂O₃纳米颗粒的Al-20Sn-1Cu合金硬化层/涂层。复合材料的沉积采用气体钨极弧焊（GTAW）工艺完成。使用球磨机对Al、Sn和Cu金属粉末（含与不含Al₂O₃纳米颗粒）进行30分钟的机械混合，球与粉末的重量比为5:1。将含有0%、0.25%和0.50% Al₂O₃纳米颗粒的复合粉末预先放置在钢基板上，并在低热输入和高热输入条件下进行焊接。在碳钢表面形成了3.5毫米厚的粉末层，同时施加了90安培和132安培两种不同的热输入。通过光学显微镜、扫描电子显微镜/能量色散谱（SEM/EDS）、X射线衍射（XRD）、显微硬度测试和销盘磨损测试系统地研究了微观结构演变、界面结合、相形成、硬度分布和摩擦学性能。热输入和Al₂O₃纳米颗粒的添加显著改善了制备的Al-Sn-Cu合金涂层的界面微观结构、硬度和耐磨性。添加0.25% Al₂O₃纳米颗粒细化了界面微观结构，减少了金属间层厚度，提高了硬度，并降低了磨损率和摩擦系数。然而，当纳米颗粒含量增加到0.50%时，导致纳米颗粒聚集，从而引起硬度波动并增加了摩擦系数。结果表明，Al₂O₃纳米颗粒的添加减少了Al-Sn-Cu表面涂层的重量损失，表明控制热输入并结合优化的纳米颗粒含量对于实现优异的机械和摩擦学性能至关重要。

引言

硬化处理是一种独特的表面改性工艺，应用于新表面和旧表面，以提高硬度、耐磨性、抗冲击性、耐腐蚀性或耐温性1, 2, 3。这是一种经济高效的工艺，能够延长具有简单和复杂形状的工业部件的使用寿命，并降低维护成本。早期研究表明，硬化处理的主要目的是改善表面的摩擦学性能，后来在获得可靠结果后，其应用范围扩展到了其他表面性能4, 5。如今，许多工程行业都受益于硬化处理技术，包括采矿、建筑、农业、核工业和汽车工业。

硬化处理可以分为三大类：(a) 涂层（cladding）、(b) 热喷涂（thermal spraying）和(c) 焊接（welding）。在涂层工艺中，通过加热和/或压力将所需材料层粘接到基材表面。爆炸粘合是一种典型的涂层方法，用于在管道和容器上施加涂层。热喷涂包括熔化涂层材料，然后使用喷涂技术将其应用于基材表面。冷喷涂、等离子体转移弧焊（plasma transferred arc）和高速氧燃料焊接（high velocity oxyfuel welding）是典型的热喷涂方法。热喷涂可以沉积薄的表面层。硬化处理焊接工艺涉及加热和熔化涂层材料及基材，随后涂层在基材上固化。加热源可以是化学反应、电弧、激光，或是最近的摩擦搅拌焊接（friction stir welding）。焊接工艺通常沉积较厚的涂层，从而获得更高的结合强度和更长的使用寿命6, 7。

常用的硬化处理焊接工艺有药皮焊（shielded metal arc welding, SMAW）、埋弧焊（submerged arc welding, SAW）、气体钨极弧焊（gas tungsten arc welding, GTAW）、气体金属弧焊（gas metal arc welding, GMAW）和等离子体转移弧焊（plasma transfer arc welding, PTAW）。与其他硬化处理工艺相比，GTAW经济性好，并且能够提供良好的涂层与基材之间的冶金结合。涂层材料可以通过三种方式沉积到基材中：(a) 送丝（wire feed）、(b) 粉末注入（powder injection）和(c) 预先放置的粉末（preplaced powder）。由于其简单性和操作方便性，预先放置的粉末是GTAW涂层工艺中最常用的技术[7]。

铁合金常用于硬化处理，并作为基材材料，包括碳钢、不锈钢、工具钢和铸铁。硬化处理过程中常用的涂层材料有四类：(a) 铁合金、(b) 钴合金、(c) 镍合金和(d) 钨合金。铁合金是最经济的涂层材料，能够提高基材的耐磨性、抗冲击性和耐热疲劳性。铁合金中常用的合金元素包括碳、铬、镍、钴、锰、钼和钨。高含量的铬和钼会在涂层材料中形成碳化物，从而提高耐磨性。钴合金可以提高高温硬度、耐磨性、耐腐蚀性和耐氧化性。铬和钨是钴合金中常用的元素。镍合金可以提高硬度、耐磨性、高温强度和表面稳定性以及耐高温腐蚀性。镍合金中常用的合金元素有铝、铬、铌、钼、钨和硼。镍合金比钴合金更便宜。由于碳化钨是最硬的材料之一，钨合金能够在极端环境中提高耐磨性。由于碳化钨颗粒的高热稳定性，它们在焊接电弧中不会熔化，而是均匀分布在涂层中8, 9。

涂层材料中产生的硬质相的大小和分布显著影响基材的表面性能。涂层材料中的元素及其比例直接影响相的大小、形态和数量。硬质相和软质相赋予涂层材料不同的特性：硬质相提高了耐磨性，但也会带来脆性；而软质相则提高了延展性和韧性，但会牺牲硬度 and 耐磨性。在某些研究中10, 11，向FeCrC合金中添加硼可以改善硬质相的分布，从而提高摩擦学性能。类似地，添加钼可以生成耐热震的碳化物，展现出良好的摩擦学性能12, 13。

在铁-铝（Fe-Al）、钛-铝（Ti-Al）和镍-铝（Ni-Al）等金属间相中，最近开发的铁-铝（Fe-Al）系涂层材料因其独特的性能和经济性而备受关注[14]。除了强度和抗氧化性外，Fe-Al系涂层材料还具有低密度等优点。凭借这些优势，Fe-Al金属间相系统广泛应用于电力、汽车、航空航天和食品行业的零部件涂层中。

Fe-Al系统中铝含量的变化会导致形成不同的铁铝化物化合物。据报道，Fe-Al系统包含不同的平衡相[15]：(a) 熔融的Fe-Al、(b) BCC结构的铁中的铝固溶体、(c) FCC结构的铁中的铝固溶体、(d) Fe₃Al和FeAl的顺序固溶体，以及(e) FeAl₂、Fe₂Al₅和FeAl₃的金属间化合物。在高温（1002 - 1232°C）下观察到Fe₅Al₈的稳定相和FCC结构铁中的铝固溶体。研究Fe₃Al和FeAl的有序相对于技术应用至关重要[16]。

作为整体材料或涂层应用的铝合金通常会加入陶瓷材料进行强化17, 18。研究了SiC微粒和石墨粗粒添加对Al–Si A356合金机械性能的影响。据报道，SiC和Al₂O₃纳米颗粒显著改善了Al–Si A356合金的机械性能[17]。ZA-27合金基纳米复合材料中存在SiC和Al₂O₃纳米颗粒可以改善结构和机械性能[18]。含有嵌入立方氮化硼（c-BN）纳米颗粒的镍涂层在海水环境中表现出优异的耐磨性和抗侵蚀性，并且摩擦系数几乎保持不变[19]。之前已经通过电沉积（electrodeposition）和TIG焊接（TIG）制备了纳米复合涂层19, 20, 21, 22。由于纳米颗粒的弥散强化效应，这些涂层的微观结构、摩擦和磨损性能得到了显著改善。

一种创新的硬化处理材料制备方法是将纳米级陶瓷颗粒加入涂层材料中，并通过改变元素组成来原位修改相结构。因此，本研究的目标是通过使用GTAW工艺在碳钢基材表面沉积一层铝基金属粉末，以制造适用于高磨损率轴承和高温环境（如核反应堆和聚光太阳能电站）的富铁铝化物涂层。此外，还研究了不同热输入和添加纳米级氧化铝（Al₂O₃）对碳钢表面形成的Fe-Al金属间化合物性能的影响。当前这种简单且低成本的涂层（含有金属间铁铝化物、锡和铜，以及少量氧化铝纳米颗粒）可以克服传统钢基和镍基合金以及普通铁铝化物的局限性。这种独特的结构能够保护基材免受高磨损率和高温腐蚀的影响。锡在Al-Sn-Cu轴承合金中的主要作用是通过作为低熔点的软质相来提供润滑，从而改善抗摩擦性能。

材料与粉末制备

本研究中使用的复合粉末由纯度为99.9%的铝（Al）、锡（Sn）和铜（Cu）颗粒组成，并与球形氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒混合。详细的成分信息（包括氧化铝含量范围0至0.50% wt%）见表1。粉末混合在低能量球磨机中进行，球磨机转速为80 rpm，混合时间为30分钟，球与粉末的重量比为5:1。

热输入的影响

图1展示了在不同热输入条件下GTAW工艺制备的涂层-钢界面的微观结构。在高热输入（HHI）条件下处理的样品中，界面清晰且连续；而在低热输入（LHI）条件下处理的样品中，钢基材与涂层之间的界面发育不良，几乎无法区分。在高热输入条件下形成清晰界面的原因可以归因于...

结论

• 1.
  使用气体钨极弧焊（GTAW）表面合金化技术在碳钢基材上成功制备了Al–Sn–Cu合金涂层。热输入和Al₂O₃纳米颗粒的添加显著影响了涂层的界面微观结构、硬度和耐磨性能。
• 在高热输入（HHI）条件下处理的样品中形成了清晰连续的冶金界面，而在低热输入（LHI）条件下处理的样品中界面不清晰。

CRediT作者贡献声明

S. M. 阿尔-肖马尔（S. M. Al-Shomar）：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。纳格拉·法蒂（Naglaa Fathy）：撰写 – 初稿撰写，监督，项目管理，数据管理。阿卜杜勒·哈利克（Abdul Khaliq）：实验研究，数据分析。K. M. 哈菲兹（K. M. Hafez）：撰写 – 初稿撰写，方法学研究，概念设计。穆罕默德·拉马丹（Mohamed Ramadan）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，验证，方法学研究，概念设计。萨巴赫·阿塔亚（Sabbah Ataya）：撰写 – 初稿撰写，监督。巴德雷丁·阿亚迪（Badreddine Ayadi）：实验研究，数据管理。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据和材料的可用性

本研究生成或分析的所有数据均包含在本文中。

出版同意

所有作者同意发表本文。

资助

本研究由沙特阿拉伯海伊尔大学的科学研究部通过项目编号<>资助。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。