热浸镀铝技术的进展和应用探析

1.施镀材料

热浸镀铝的施镀材料主要为钢铁材料。钢铁材料表面通过热浸镀铝后，具有很强的耐高温性、抗氧化性、耐蚀性及优良的导热性和导电性。为了利用热浸镀铝层的优良性能，拓宽热浸镀铝技术的应用，国内外研究者对不同对金属施镀材料进行了大量的研究试验。

（1）不锈钢 韩石磊等对316L（相当于022Cr17Ni12Mo2）不锈钢进行热浸镀铝。结果表明，镀层由表面铝层和合金层组成，层间结合紧密，镀层较厚；随镀铝温度的升高，外层铝层减薄，而内层合金层明显增厚，镀层总厚度并没有太大差异，在800℃时镀层质量最为优异。在900℃热扩散试验时，得到的扩散层质量最佳，为韧性相FeAl固溶体和α-Fe（Al）固溶体，镀层中没有孔洞及裂纹生成，为理想的过渡层材料；镀铝层的膜基结合力达45N以上，由于表面形成了氧化铝膜，耐蚀性明显提高，增强了316L不锈钢基体的耐蚀性。

06Cr18Ni11Ti不锈钢广泛用作航空器、排气管、锅炉汽包等需要承受高温、高压的组件，服役过程中的氧化现象会破坏其结构的完整性。为了提高构件的抗高温氧化性和抗热腐蚀性能，娄瑾等采用热浸镀铝工艺在06Cr18Ni11Ti不锈钢表面制备镀铝层，并进行950℃、2h高温扩散处理，表面主要生成了Al₂O₃膜，有效阻止了合金元素与氧发生反应，高温扩散后06Cr18Ni11Ti不锈钢表面生成了FeAl，FeAl层与Al固溶层间形成NiAl薄层，阻止了Al向不锈钢内扩散，其抗氧化性能优于不锈钢。

17-4PH钢是马氏体沉淀硬化不锈钢，具有强度高，对弱电解质耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、航天、医疗器械工业和核工业等领域。但其铜含量高，变形抗力大，变形温度窄，不耐高温，在350～400℃下长期使用有脆化倾向，且表面硬度较低，耐磨性较差。王院生等对17-4PH不锈钢经热浸镀铝并进行扩散退火处理后发现，镀层表面硬度最高达到714HV；镀层分为富铝层、合金层、基体层，合金层主要相为Fe₂Al₅；经扩散处理后，富铝层全部转变为合金层，且分为内扩散层与外扩散层，内扩散层主要相为Fe₃Al，外扩散层主要相为FeAl；镀层表层致密的γ-Al₂O₃氧化膜和金属间化合物FeAl、Fe₃Al起到高温耐氧化的作用，使高温耐氧化性能显著提高。

（2）铜 铜铝复合材料由于同时具有优良的导电性、导热性、耐蚀性、低接触电阻及质量轻等综合特性，逐步实现以铝代铜，近年来受到了广泛关注。由于铜铝界面往往存在由多种金属间化合物组成的扩散层，这些金属间化合物硬度高、脆性大，严重影响了铜铝复合材料的性能。王征等采用热浸镀铝工艺对铜进行了镀铝试验，研究了热浸镀铝温度对过渡层组织、复合材料导电性及结合强度的影响。结果表明，随着浸镀温度的升高，铜铝复合材料导电性能迅速降低；结合性能出现先升高后降低的趋势。在热浸镀温度为710℃、热浸镀时间为8s的条件下，铜铝复合材料过渡层的金属间化合物晶粒比较小而且分布较均匀，相比温度升高获得的粗大晶粒而言更有弥散强化优势，并且有利于应力的缓解释放，此时铜铝复合材料结合强度最高，达到了最大的16MPa，过渡层内形成了良好的结合界面；铜铝复合材料界面主要生成了CuAl₂、CuAl、Cu₉Al₄、K₃AlF₆等化合物，但金属间化合物过多会对缺陷比较敏感，易产生裂纹，严重影响了铜铝复合材料的导电性和结合性。

（3）球墨铸铁 球墨铸铁的冲击韧性和耐蚀性较差，往往需要进行退火和表面处理才能应用于高性能传动部件。史晓萍等研究了球墨铸铁热浸镀铝镀层的组织及不同温度和不同保温时间条件下Al的扩散行为，发现镀层分为表面富铝层及过渡层，即铝铁合金层，过渡层形状如舌状指向基体，由FeAl₃、Fe₂Al₅物相组成；在相同扩散温度下，增加保温时间有利于Al元素向Fe-Al合金层扩散，在相同保温时间下，提高温度使Al元素向Fe-Al合金层中扩散速度加快。程乾等研究了球墨铸铁经热浸镀Al-3.6%（质量分数）Si后，在不同温度下的冲击韧性和在3.5%（质量分数）NaCl溶液中的耐蚀性，发现合金镀层薄而均匀且Fe₂Al₅硬脆相/基体界面相对平坦，具有良好的冲击韧性，在3.5%（质量分数）NaCl溶液中易形成Al₂O₃钝化膜，腐蚀电流大大降低，显著改善了球墨铸铁在NaCl溶液中的耐蚀性。(www.xing528.com)

（4）TC4钛合金 TC4钛合金的密度小，比强度高，耐蚀性好，且具有中等的室温和高温强度，良好的蠕变抗力和热稳定性，较高的疲劳性能和海水中的裂纹扩散抗力，以及优良的工艺塑性和超塑性等，在航空航天工业、造船工业、石油化工、汽车工业及医学等领域得到广泛应用。但由于TC4钛合金表面硬度低、耐磨性差，使其在摩擦工况下的应用受到了限制。傅宇东等采用热浸镀铝和热扩散方法，在TC4钛合金表面获得了厚度约100μm的扩散型热浸铝层。结果表明，热浸镀铝后进行扩散可以在TC4钛合金表面产生高硬度的TiAl₃、Ti₂Al₅及TiAl₂相的扩散层。

2.热浸镀铝工艺技术

（1）无覆盖溶剂的热浸镀铝 钢材热浸镀铝的传统工艺一直采用在铝液表面加覆盖溶剂的方法。由于覆盖溶剂大都由氟盐和氯盐组成，其蒸汽不仅腐蚀设备，对操作工人的毒害也较大，而且镀件出浴时带出许多熔盐，难以清洗，影响镀层质量。李苏琴在铝液中加入微量合金元素（如Ga、In、RE、Si），这些微量合金元素对铝液面有较好的抗氧化作用。与传统的覆盖溶剂法相比，采用添加微量抗氧化合金元素的无覆盖溶剂热浸镀铝，镀件表面白亮无杂色，平整无挂皮和漏镀现象，并长时间保持光泽而不发灰，可以替换传统的覆盖溶剂法，从而缩短工艺流程，降低成本，提高产品的质量。

（2）超声波热浸镀铝 超声波热浸镀铝研究的出现，拓展出外场作用下热浸镀铝技术新的热点。夏原等的研究发现，超声波的引入不但缩短了热浸镀时间，而且由于液体中无所不在的超声波强烈空化效果，使得复杂工件的各个部分（如孔洞、缝隙、内壁等）均可得以充分润湿和反应，可极大地提高热浸镀铝层表面质量及结合力；超声波对于液体凝固过程的基本机理是声空化效应和声流效应；在稀土铝热浸镀过程中，施加超声振动可以有效地减弱或消除稀土的量化偏聚效应。

（3）数值模拟热浸镀铝 王征等对铜进行了表面热浸镀铝的试验，研究了铜铝固液结合过程中的界面扩散层，建立了铜铝复合材料界面扩散层生长的动力学模型。结果表明，铜铝复合材料界面扩散层的生长动力学符合抛物线扩散规律，与热浸镀温度的指数成正比，与热浸镀时间成抛物线增长关系；铜热浸镀铝扩散层生长动力学模型的修正系数k与时间t存在线性关系；该结果可用以预测在热浸镀铝工艺下铜铝复合材料扩散层厚度随时间以及温度的变化趋势。高峰等建立了热浸镀提取过程中镀层厚度的模型。该模型是简化的动态模型，推导出了镀层厚度与提升速度的关系方程，用于指导镀层厚度控制过程，并在工程实践中得到了验证。