采用等离子电解热化学处理提高镍基合金表面耐磨性与耐蚀性

《Next Materials》：Increasing wear resistance and corrosion resistance of the surface of a nickel-based alloy using plasma electrolytic thermochemical treatment

　　

本文首次提出将等离子电解热化学处理技术应用于镍基合金。镍基合金用于制造高温服役部件，其整体与表面性能的组合通常通过多级热处理及多种表面处理实现。作为现有技术的替代方案，研究人员考虑了等离子电解氮化（PEN）与等离子电解硼氮化（PEBN），这两种工艺可在单一工序中同时完成热处理与表面处理。文章考察了表面扩散渗氮、渗硼后淬火及时效过程中的结构-相变、表面形貌与粗糙度，以及磨损与腐蚀特性。处理所引发的表面形貌与粗糙度变化，与钢及钛合金处理中观察到的典型特征一致。PEN与PEBN均导致由NiO与Cr2O3氧化物构成的氧化层，以及下层化合物层，该层弥散元素（氮8–9 wt%、硼>3 wt%）浓度升高、显微硬度提升。扩散饱和后淬火使表层富铬氮化物CrN，后续时效析出强化相镍氮化物Ni3N与铬硼化物Cr5B3。PEN后化合物层最高显微硬度达422±12 HV，基体为330±20 HV；时效后化合物层升至542±15 HV，基体升至488±6 HV，摩擦系数降低2.2倍（0.75降至0.34），质量磨损降低16倍，体积磨损降低8.8倍。PEBN+时效因Cr5B3析出，化合物层显微硬度达574±22 HV，摩擦系数降低3.4倍（0.75降至0.22），质量磨损降低40倍，体积磨损降低13.4倍。结构、成分与形貌变化使接触机制由未处理样的塑性变形转为更优弹性接触。扩散饱和与时效带来的结构-相变对提升氯化钠溶液中耐蚀性具有正向作用，表现为电流密度降低数个数量级、腐蚀电位向正值偏移。

研究背景方面，镍基合金（如Inconel系列）因在高温下兼具强度、抗蠕变与抗氧化性，被广泛用于航空发动机、核反应堆蒸汽发生器等关键热端部件。传统表面改性手段各有局限：激光熔覆易热畸变；离子注入为视线工艺不适于复杂形状；常规热化学处理时间长致晶粒长大脆化；热氧化层薄且循环载荷下强度不足；常规等离子电解氧化（PEO）侧重阀金属陶瓷氧化层，不刻意改质基体。研究人员指出，等离子电解热化学处理（plasma electrolytic thermochemical treatment）此前仅用于钢与钛合金，本文首次将其原理迁移至耐热镍基合金NiCr20TiAl（类Inconel），旨在以电解等离子中氮/硼扩散饱和结合快热淬火时效，在提高表面耐磨耐蚀的同时借高速加热抑制芯部脆化，并形成无锐界面的梯度层避免剥落。

关键技术方法上，研究人员选用20×15×8 mm的NiCr20TiAl镍基合金试样（俄罗斯Norilsk Nickel产，成分近似Inconel），依次实施：电解等离子渗氮（PEN，10% NH₄Cl+5% NH₃电解液）或渗硼氮（PEBN，另加3% H₃BO₃）于1100 ℃扩散5 min，断电淬火；随后700 ℃马弗炉时效16 h。表征方面，采用Co-Kα X射线衍射（XRD）结合Rietveld全谱拟合定量相组成；扫描电镜（SEM）-能谱（EDX）观形貌与截面；维氏显微硬度计测跨截面硬度；球-盘无润滑摩擦试验（刚玉对偶，5 N，0.18 m/s，30 min）获摩擦系数，台阶仪算体积磨损；3.5 wt% NaCl中动电位极化（Tafel外推）评耐蚀性。

研究结果各节要点如下。引言部分已述背景与上述动机。实验部分确定材料、PEN/PEBN工艺窗口与淬火+时效路线，以及XRD、SEM/EDX、硬度、摩擦、腐蚀全套方法。结构、成分与表面特性研究中，XRD证实PEN与PEBN试样表层由外至内为NiO+Cr₂O₃氧化层、富N/B化合物层（含γ-Ni、CrN、Ni₃N、Cr₅B₃），淬火后CrN富集，时效后Ni₃N与Cr₅B₃析出；SEM显示表面形貌演变类同钢/钛合金处理，粗糙度改变。显微硬度结果表明，PEN态化合物层422±12 HV、基体330±20 HV；PEN+时效分别升至542±15 HV与488±6 HV；PEBN+时效化合物层达574±22 HV。摩擦学测试得出，未处理样摩擦系数0.75，PEN+时效降至0.34（降2.2倍），质量磨损降16倍、体积磨损降8.8倍；PEBN+时效降至0.22（降3.4倍），质量磨损降40倍、体积磨损降13.4倍；接触由塑性变形转弹性接触。腐蚀评估显示，改性后NaCl溶液中腐蚀电流密度降数个数量级，腐蚀电位正移，耐蚀性提升。

讨论与结论部分，研究人员强调本工作首次将等离子电解热化学处理由钢/钛合金拓展至镍基合金，PEN/PEBN+淬火+时效一体化工艺兼顾表面高硬耐磨与芯部韧性，梯度层消除尖锐涂层-基体界面从而避免氧化物涂层常见剥裂；结构-相变（CrN、Ni₃N、Cr₅B₃析出）是硬度、摩擦与耐蚀同步改善的根源。该文发表于《Next Materials》，其意义在于为高温镍基合金部件提供一条短时、低脆化风险、可处理复杂形状的表面强化新路径，弥补了传统渗氮/激光/离子工艺的不足。结论可译为：研究人员首次证明，对NiCr20TiAl耐热镍基合金实施等离子电解氮化或硼氮化继以淬火时效，可形成NiO/Cr₂O₃外层与富N/B化合物层，析出CrN、Ni₃N、Cr₅B₃等强化相，使化合物层显微硬度最高达574 HV，摩擦系数最低至0.22，质量磨损最高降40倍，并在3.5% NaCl中显著降低腐蚀电流、正移腐蚀电位，从而同时提升耐磨与耐蚀性能，且因高速加热保留芯部韧性，梯度层抑制剥落。