添加氧化铈对氧化铝薄膜的抗高温氧化性能的影响
摘要：本文采用溶胶—凝胶法在Q235钢表面沉积氧化铝一氧化铈以及氧化铝陶瓷薄膜，与未沉积试样进行了比较，经过600℃下100h的高温氧化动力学实验及表面形貌观察发现，沉积陶瓷薄膜均起到了保护作用，在不同程度上降低了钢的氧化增重和氧化膜剥落，而氧化铝一氧化铈薄膜效果要优于单独沉积氧化铝的陶瓷膜。
关键词：薄膜，溶胶—凝胶，高温氧化
金属表面陶瓷化是提高金属及其合金材料抗高温氧化性能的一条重要的途径，综合了整体陶瓷材料的优点，不仅可以具有硬度高、抗磨性好，耐热和抗高温氧化腐蚀性能高的优点，而且陶瓷涂层又与基体金属材料的高韧性、塑性和导电率等互为补充，形成了一类性能优异的复合材料。金属表面涂覆活性元素的氧化物涂层还可以起到活性元素作用，提高涂层的附着性能，因此越来越受到人们的重视。
溶胶—凝胶法具有工艺过程温度低，所制备的材料非常均匀，通过计算与控制参加反应的物质配比，就可以控制反应产物的成分，并获得高纯度的反应产物，用料少，工艺简单，廉价，便于产业化，本研究的目的在于研究沉积不同材料的陶瓷薄膜对Q235钢抗高温氧化性能的影响，探讨其氧化机理。
1 实验方法
Q235钢试样的尺寸为20mm×15mm×2mm，表面用水砂纸打磨至600#，试样在去离子水、酒精中超声波清洗吹干。
1.1氧化铝溶胶液的制备
配制质量百分数为40％和50％的Al(NO
3)3各100ml，分别放在烧杯中。放在磁力搅拌器上搅拌，向其中匀速加入20％Na2CO3溶液。使其PH值在5左右，在搅拌l小时得到半透明白色溶胶，静置老化10小时后可涂覆。
1.2氧化铈溶胶液的制备
配制质量百分数为5％的硝酸铈溶液50ml，放入烧杯中，放在磁力搅拌器上，加足量氨水，使之完全沉淀，用吸滤器滤出沉淀。用去离子水冲洗沉淀数次，直到冲洗所剩的水PH值为7为止。取3克沉淀放入烧杯中，加入60℃稀硝酸至PH为1，搅拌1小时得到黄色的溶胶，静置24小时后待用。
1.3混合溶胶液的制备
取上述二氧化铈溶胶与质量百分数为40％的三氧化二铝溶胶按体积比为1:2混合，二氧化铈与三氧化二铝质量比为1:16；二氧化铈溶胶与质量百分比为50％的三氧化二铝按体积比为1:1混合，二氧化铈与三氧化二铝质量比为1:10；二氧化铈溶胶与质量百分比为50％的三氧化二铝按体积比为3:4混合，二氧化铈与三氧化二铝质量比为1:13.3。
1.4陶瓷薄膜的制备
用浸渍提拉法涂抹溶胶，置于阴凉处晾干。然后将装有Q235钢试样的坩埚放入温度为300℃的热处理炉中保温30分钟后取出。待冷却到室温后重复上述步骤，共做三次。
1.5实验及检测
将薄膜处理的试样测量表面积、称重后，置于陶瓷坩埚中在600℃空气中进行100h循环氧化测量，每隔10h将试样取出，冷却15min，使用精确度为0.1mg的DT-100型光电天平分别称出试样和坩锅、坩锅的质量，将所得数据处理后可分别得到氧化增重和氧化膜剥落的动力学曲线。采用OLYPUS-PME3型倒置式金相显微镜观察氧化后表面形貌。
2 实验结果与分析
图1为Q235表面沉积不同成分的陶瓷薄膜后在600℃氧化100h的氧化动力学曲线。由图可以看出，经不同成分沉积薄膜均在不同程度上提高了合金的抗高温氧化性能。空白试样经600℃氧化100h的氧化增重为9.20mg/cm2，氧化膜剥落为6.45mg/cm2，而采用50％和40％氧化铝溶胶沉积薄膜处理后氧化增重分别为8.56和7.34mg/cm2，为空白试样的0.93和0.79，氧化膜剥落最低为5.90和4.24mg/cm2，为空白试样的0.91和0.66。沉积氧化铝一氧化铈复合薄膜效果更好些，其氧化增重和氧化膜剥落均低于单一氧化铝薄膜，其中Ce2O3:Al2O3=1:13.3的复合薄膜抗高温氧化性能最好，氧化增重和氧化膜剥落分别为3.70和0.48mg/cm2，分别为空白试样的0.40和0.074。因此，添加氧化铈大大提高了氧化铝薄膜的抗高温氧化性能，尤其是抗氧化膜的剥落性能。
图2为Q235表面沉积薄膜在600℃氧化100h后的表面形貌。空白试样表面存在大小不等的深色斑点，沿磨痕方向也出现了一些小斑点，这是氧化比较严重的区域，而颜色较亮并且较平整的区域则是氧化轻微的区域。经溶胶—凝胶法处理形成陶瓷薄膜的试样表面明显较空白试样平整，且表面深色斑点明显减少，尤其是Ce2O3：Al2O3=1:13.3的复合陶瓷试样。由以上分析可见，Q235表面沉积单一氧化铝和氧化铝—Ce2O3复合陶瓷薄膜促进了起到了很好的保护性能，提高了基体的抗高温氧化性能。
采用溶胶—凝胶法制备的陶瓷薄膜为纳米级非晶态膜，Al2O3结构中氧离子构成密排六方晶格，铝离子占据八面体间隙位置，为抗高温氧化的主要氧化物，其本身就是元素扩散的很好的阻挡体，Ce2O3属稀土氧化物，沉积Ce2O3薄膜起到了活性元素效应，Ce2O3大分子在氧化物／合金界面偏聚，可降低氧化膜的生长速度，提高氧化膜的附着性能，显著降低氧化膜的剥落量。
3 结论
本研究采用溶胶一凝胶法在Q235基体上制备了单一氧化铝和氧化铝—氧化铈复合陶瓷薄膜，在600℃下100h的氧化动力学曲线及表面形貌分析得到以下结论：
(1)溶胶—凝胶法在试样表面沉积陶瓷表面均在不同程度上提高了Q235钢的抗高温氧化性能，添加氧化铈的复合薄膜效果由于单一氧化铝薄膜。其中二氧化铈与三氧化二铝质量比为1:13.3的复合薄膜抗高温氧化性能最佳。
(2)沉积Ce2O3薄膜起到了活性元素效应，合金氧化膜生长速度显著降低，显著改善了氧化膜的附着性能。
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