1纯铜表面热喷涂铝的扩散

2
( x 0)
3、结果讨论
由扩散系数公式
D D0 exp(
Q ) RT
铝在铜中的 Q 165528J / mol ， D0 4.35 107 cm2 / s 。 （1）喷涂有 0.4mm 厚铝涂层的试件分别经 800、850 和 900℃温度，加热 保温 4 小时后形成的合金层的厚度变化情况如图 1 所示。 可以看出，当涂层厚 度和保温时间一定时，扩散层厚度随着加热温度的增加而增加。
C0
C ( x,0)
(h, h)
0
(, h);(h, )
于是得，任意时刻扩散组元浓度分布为：
C0 C ( x, t ) 2 Dt
根据中值定理，有：
( x ) 2 4 DtLeabharlann hhe

( x ) 2 4 Dt
d

h
h
e

d 2he

( h x )2 4 Dt
1、建立模型
在加热扩散处理过程中，铜表面喷涂的铝涂层作为铝供应源，熔化后，不断 地向铜基体中扩散。经过足够的温度和时间扩散后，在试件表面就可形成几毫米 厚的铜铝合金扩散层。 表面合金层的构成以及合金层中铜、铝元素的比例主要取 决于喷涂铝涂层的厚度、加热扩散温度和扩散时间等参数。 该问题中，铝涂层看成扩散源，其厚度比铜板小得多，所以可以将铜板看成 是无限大的介质。 经分析， 该问题属于无限薄层扩散源向一维无限大介质中的扩 散问题。 C
图 1 不同温度对扩散层厚度的影响
（2） 同厚度铝涂层试件在 900℃温度的加热条件下， 加热保温时间对铝扩散 层的厚度影响如图 2 所示。可以看出，当涂层厚度和加热温度不变时，扩散层厚 度随着保温时间的增加而增加。
图 2 900℃下不同扩散时间对扩散层厚度的影响
当保温时间增加时,Al 原子有更长的时间向金属中扩散， 这就使得 Al 原子向 金属中扩散的更充分、更深入。随着保温时间的增加，扩散层厚度的增加愈加缓 慢， 当保温时间达到一定的值时,由于涂层中的铝不断向铜基体中扩散, 同时基体 中铜也反向扩散入铝涂层, 使涂层中的铝浓度不断降低, 直至与在铜基体中渗层
( x ) 2 4 Dt
一维无限大介质中非稳态扩散方程的通解为：
C ( x, t )
1 2 Dt



f ( )e

d
其中， t 为时间， x 为位置， C 为时间 t 、 x 的浓度， D 为扩散物质在扩散介质中 的扩散系数， f ( ) 为扩散组元的初始浓度分布。 在本文讨论的问题中，初始扩散组元的浓度分布为：
Q
h
设初始时扩散组元的浓度分布为：
h O
x
补充初始条件，设在 x x0 处存在一反射界面。
C0
C ( x,0)
(h, h)
0
(, h);(h, )
2、理论推导
若一维无限大介质中扩散组元分布为
C ( x,0) f ( x)
由扩散方程
(, )
C 2C D 2 得： t x
的铝浓度平衡,因此,发生明显组织变化的扩散层厚度会在一段时间内变化较小。 当然，这只是理论计算，在计算过程中做了很多近似和假设处理，实际问题 远比这个模型复杂。
(1 1)
2
h x ) 2hC0 ( 4 C ( x, t ) e Dt 2 Dt
令 Q hC0 ，则：
( h x ) Q C ( x, t ) e 4 Dt Dt
2
( x 0)
当 h 0 时，有：
x Q 4 Dt C ( x, t ) e Dt
纯铜表面热喷涂铝的扩散分析
纯铜具有良好的导热性能 ,它被广泛地应用.但是纯铜的高温氧化速度较快， 铜制工件高温下的使用寿命短， 增加了生产成本。 有文献指出纯铜渗铝是一种能 较大幅度延长工件在高温、腐蚀介质环境中使用寿命的有效方法。热喷涂扩散制 备铝化物涂层的工艺方法，利用热喷涂铝或铝合金涂层作为渗铝供体，通过加热 扩散，在铜制工件表面形成足够厚度的铝化物层。 试件的基体材料是含量为 99.9%,厚度 12 mm 的纯铜板。 试件表面采用 20 号 棕刚玉砂喷砂处理，然后分别电弧喷涂 0.2 mm~2.5 mm 厚的纯铝涂层。试件分 别加热到不同的温度，保温一定时间，后随炉冷却到室温。