【引言】

    在能源或化工等產(chǎn)業(yè)中，工程材料的服役條件日漸嚴(yán)峻，表面改性則是改善材料表面性能的重要一步。其中，材料表面滲鋁是一種低成本的、改善基材高溫抗氧化性的方法，通過滲鋁能改善耐熱鋼在高溫高壓下的使用性能，提高其作為蒸汽管使用時(shí)的穩(wěn)定性，并延長使用壽命。然而，大多數(shù)的傳統(tǒng)滲鋁技術(shù)都存在諸多缺點(diǎn)，如擴(kuò)散慢、加工困難、相容性差等，進(jìn)一步限制了滲鋁技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的使用。因此，尋找一種操作容易并且反應(yīng)速度快的表面改性技術(shù)十分重要。

    【成果簡介】

    近日，中科院金屬研究所的沈明禮（通訊作者）等人研究出一種利用受激電子的遷移活動，在奧氏體不銹鋼（304SS）表面滲鋁的超速表面改性技術(shù)（EMMA），以達(dá)到改善鋼表面性能的效果。研究人員通過改變流過鋼表面脈沖電流的參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，這一過程加速了Fe原子的向外擴(kuò)散，僅10分鐘即形成較好韌性的表面涂層，這一涂層主要由FeCrAl和β-FeAl兩個(gè)相組成，并且鋼表面的高溫抗氧化性得到了明顯的提高。該成果以“A general strategy for the ultrafast surface modification of metals”為題于2016年12月7日在Nature Communications上發(fā)表。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 電遷移輔助滲鋁（EMMA）

    a.試樣表面通電流滲鋁的圖示，所提到電流流過的方式：

    b.直流電（DC），這種情況下電子遷移力（EMF）平行于基體表面，無法與化學(xué)勢能梯度（CPG）耦合；

    c.脈沖直流（PDC）或交流電（AC），當(dāng)變化的電流產(chǎn)生變化的磁場時(shí)，如圖所示就出現(xiàn)了渦流；

    圖2 滲鋁層的特征圖

    a. 1300A·cm-2，10min，直流（DC）；

    b. 1400A·cm-2，10min，脈沖直流（PDC）；

    c. a，b兩個(gè)樣品的XRD圖譜，可以看出脈沖直流（PDC）滲鋁樣的物相只有FeCrAl和β-FeAl兩個(gè)相；

    d. FeCrAl相的名義擴(kuò)散系數(shù)，脈沖直流（PDC）滲鋁樣品中FeCrAl層展現(xiàn)出更快的增長速度；

    e. 脈沖直流（PDC）滲鋁樣品b內(nèi)層的TEM圖，標(biāo)尺分別為200nm和20nm；可以得出在這個(gè)過程中 Fe原子的向外擴(kuò)散占據(jù)了主導(dǎo)地位；

    圖3 FeCrAl層的超速形成

    a. 1900A·cm-2，5min，脈沖直流（PDC）條件下滲鋁層的SEM圖、EDS成分和橫截面壓痕深度形貌；

    b. 標(biāo)尺為100nm下FeCrAl層的TEM圖；

    c. EDS圖，Ni元素和Cr元素的分布較為均勻，而Al元素隨著與基體的距離越近，含量越低；

    d. 對應(yīng)b圖畫圈區(qū)域的選區(qū)電子衍射（SAED）；

    圖4 在水蒸氣下樣品的高溫氧化情況

    a.原始樣品與滲鋁304SS樣品的氧化動力曲線：1400A·cm-2，10min，脈沖直流（PDC）條件下得到β-FeAl/FeCrAl雙層樣品在氧含量40 vol%和900℃水蒸氣下測試，1900A·cm-2，5min，脈沖直流（PDC）條件下得到FeCrAl單層樣品在氧含量50 vol%和700℃水蒸氣下測試；

    b. 304SS（左邊）和滲鋁（右邊）樣在900℃測試后的表面形貌；

    c. SEM下304SS橫截面氧化膜的形成；

    d. SEM下700℃測試后滲鋁樣橫截面氧化膜的形成，由此可以看出，滲鋁后的樣品高溫抗氧化性能的提高得益于氧化鋁層的形成；

    標(biāo)尺為b.5mm；c,d.10?m

    【小結(jié)】

    沈明禮副研究員等人將滲鋁過程的驅(qū)動力—化學(xué)勢能梯度（CPG），和受激電子的遷移力（EMF）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)超速奧氏體不銹鋼（304SS）表面改性，這種技術(shù)更易在表面得到韌性相，大大縮短加工時(shí)間，并明顯提高奧氏體不銹鋼表面的高溫抗氧化性能，這必定能改善滲鋁技術(shù)在表面改性中應(yīng)用的現(xiàn)狀。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也被證實(shí)可用在低碳鋼的滲硅和滲鉻中，因此，這項(xiàng)表面改性技術(shù)相比于傳統(tǒng)技術(shù)而言，具有明顯的優(yōu)異性。