利用輝光等離子滲金屬技術，在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面形成滲Zr合金層，探討了極間距、氣壓、保溫溫度、源-陰極電壓差、保溫時間對滲Zr合金層厚度的影響，進而優(yōu)化工藝參數，并對合金層的金相組織、元素分布及物相組成進行分析。優(yōu)化工藝參數為：極間距30mm，工作氣壓35Pa，保溫溫度1060℃，源-陰極電壓差300V，保溫時間5h，所獲滲層厚度為65μm;Zr在滲層中呈梯度分布，滲層組織為柱狀晶，且與基體呈良好的冶金擴散結合。

　　0Cr18Ni9Ti不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性、焊接性及綜合力學性能，在航空航天、化工、原子能等行業(yè)中得到了廣泛應用。然而因其承受的最高使用溫度只有800℃左右，高溫氧化問題已成為制約其應用于高溫環(huán)境的重要因素。而Zr是強碳化物形成元素，形成的碳化物穩(wěn)定性、硬度、耐磨性和抗氧化性能均較好，Zr的氧化物更因具有高熔點、高硬度、高強度、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能可作為良好的熱障材料。因此，采用等離子滲金屬技術在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面滲Zr，再進行氧化處理在其表面形成ZrO2改性層，可明顯提高其抗高溫氧化性。而滲Zr時工藝參數會通過改變活性Zr原子的濺射、輸運及吸附擴散能力，來影響滲Zr合金層的厚度及微觀組織結構，進而對合金層的使用性產生影響，因此優(yōu)化工藝參數對形成良好的滲Zr合金層至關重要。本文探討了工藝參數對滲Zr合金層厚度的影響，并對最優(yōu)工藝參數下的滲層分別進行金相組織、成分、物相等檢測。

1、試驗部分

　　試驗材料：源極為長方形鋯板，其尺寸為：100mm(長)×50mm(寬)×5mm(厚)，純度為99.99%，試驗前需將源極打磨清理干凈。試樣基材為0Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，試樣化學成分(質量比)為：Cr17.00%～19.00%，C≤0.07，Ni8.00%～11.00%，Ti5C約0.07%，Mn≤2.00%，Si≤1.00%，P≤0.035%，S≤0.030%，其余為Fe。尺寸為35mm×10mm×3mm。裝爐前，需將試樣經不同型號的水砂紙打磨，并用拋光機拋光，再用超聲波清洗干凈并烘干。

圖1 等離子滲金屬設備原理圖

　　試驗方法：采用DGLT-15型多功能離子化學熱處理爐進行滲Zr處理(滲Zr原理如圖1所示)，輔助陰極采用尺寸為210mm×150mm×180mm的長方形碳鋼盒，將試樣與鋯板懸掛置于輔助陰極內，并加上蓋板以隔熱保溫。滲Zr的工作溫度通過WDL-31型光電溫度計進行測試;調節(jié)源極電壓、工件電壓與氣壓，實施升溫、保溫的滲入工藝。滲Zr后，將試樣隨爐緩冷至室溫。在源極電壓-800～-1000V，陰極電壓-500～-700V，源-陰極電壓差300V，占空比0.2～0.8，工作氣壓30Pa，保溫溫度1020℃，保溫時間5h的條件下，選擇極間距為20，25，30，35mm進行滲Zr處理，根據極間距對滲Zr合金層厚度的影響來優(yōu)化極間距。之后，保持其它工藝參數不變，采用優(yōu)化極間距，選擇工作氣壓25，30，35，40Pa進行滲Zr處理，根據工作氣壓對滲層厚度的影響來優(yōu)化工作氣壓。接著，選擇保溫溫度980，1020，1060，1100℃，根據保溫溫度對滲層厚度的影響來優(yōu)化保溫溫度。同理，在優(yōu)化的極間距、工作氣壓、保溫溫度下，分別選擇源-陰極電壓差250，300，350，400V，保溫時間為4，4.5，5，5.5，6h，進行單因素實驗，工藝參數如表1所示，以優(yōu)化源-陰極電壓差與保溫時間。

表1 等離子滲鋯工藝參數

　　表征手段：采用CarlZeissAxioScopeA1型光學顯微鏡分析滲層金相組織及測量滲Zr合金層厚度，用JEOL/JSM-5610LV型掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)分析滲層成分，用Bruker-axs-D8型X射線衍射(XRD)儀檢測滲層物相結構。

結論

　　(1)等離子滲鋯時，極間距、工作氣壓、保溫溫度、源-陰極電壓差、保溫時間這些因素能夠影響共滲層厚度。通過工藝試驗，優(yōu)化工藝參數為：極間距30mm，工作氣壓35Pa，保溫溫度1060℃，源-陰極電壓差300V，保溫時間5h，所獲滲層厚度為65μm。

　　2)滲層組織為柱狀晶，組織致密、分布連續(xù)、無裂紋。由表及里鋯元素成梯度分布，滲層與基體呈良好的固態(tài)冶金擴散結合。滲層的物相主要為：Zr-Fe2、ZrC，有利于提高不銹鋼的抗高溫氧化性。