專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及具有強(qiáng)玻璃形成能力的鐵基合金成分，以及制備該種非晶合金涂層的技術(shù)方法，具體為一種無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法。技術(shù)背景在現(xiàn)代先進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)中，對(duì)其殼體材料提出了更高的要求(1)無(wú)磁性降低磁信號(hào)；(2)高強(qiáng)度抗水下爆炸及碎片沖擊；(3)高耐腐蝕性每年海軍腐蝕損失高達(dá)20億美元；(4)高耐摩擦、磨損性；與常規(guī)多晶金屬材料相比，非晶態(tài)合金(亦稱(chēng)金屬玻璃)呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的結(jié)構(gòu)特性，具有許多優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，如高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨性、良好的磁性能等，具有巨大的潛在應(yīng)用前景。其中，鐵基非晶合金自1967年誕生以來(lái)，由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)而受到極大關(guān)注。在1995年，日本Inoue教授首次制得Fe基大塊體非晶。2002年，美國(guó)知名科學(xué)家Poori和Liu同時(shí)發(fā)現(xiàn)通過(guò)微量添加稀土元素(Y/Ln)極大地提高了Fe基非晶合金的形成能力，為其走向應(yīng)用開(kāi)拓了新的契機(jī)。由Poon提出的無(wú)磁性非晶鋼也在此時(shí)得到了飛躍發(fā)展。對(duì)無(wú)磁性非晶鋼的研制，人們主要解決了兩個(gè)問(wèn)題，即抑制鐵的磁性和提高玻璃形成能力。為此在元素的選擇上首先考慮了能很好抑制鐵磁性的Mn和Cr，Mo等，但由于Cr元素的加入斷氐rig,不利于玻璃形成能力的提高，故選擇了Mn，Mo元素。又充分考慮了玻璃形成能力、力學(xué)性能、腐蝕性能，制備出了高的錳含量的無(wú)磁性非晶鋼。這類(lèi)非晶鋼Cr含量一般都很低，即使有較高的Mo含量，其耐腐蝕能力很有限，因?yàn)椴荒苌筛哔|(zhì)量的富鉻鈍化膜。但一般具有較好的力學(xué)性能，這種高錳非晶鋼維氏硬度達(dá)到12001500DPN，拉伸強(qiáng)度可達(dá)3GPa,楊氏模量210GPa。后來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)Y/Ln元素的微量加入可明顯地提高鐵基合金的玻璃形成能力，發(fā)展了Fe-Cr-M(KY，Ln)-C-B體系非晶鋼。這類(lèi)非晶鋼一般Cr，Mo含量均超過(guò)10。/。，腐蝕性能優(yōu)于前一種。力學(xué)性能也不差，該類(lèi)非晶鋼具有高的彈性模量(l80200GPa)和顯微硬度(13GPa)。然而非晶鋼有一個(gè)致命的弱點(diǎn)即脆性，作為結(jié)構(gòu)材料走向工程化應(yīng)用受到了極大的限制?；诜蔷B(tài)合金具有非常低的摩擦系數(shù)、良好的熱導(dǎo)性、高的結(jié)合力與抗熱循環(huán)能力等特性，使其在表面工程領(lǐng)域(尤其是非晶涂層)的應(yīng)用更具魅力。2000年6月，美國(guó)國(guó)防部的"DARPA"(TheDefencseAdvancedResearchProjectsAgency)啟動(dòng)名為"SAM"的重大研究項(xiàng)目，將高性能非晶態(tài)涂層的研究與應(yīng)用列為重點(diǎn)。開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能無(wú)磁耐蝕耐磨非晶鋼涂層具有重大的戰(zhàn)略意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，解決Fe基大塊非晶合金存在的脆性大，作為結(jié)構(gòu)材料走向工程化應(yīng)用受到限制的問(wèn)題，使大塊非晶合金在表面工程領(lǐng)域(尤其是非晶涂層)的應(yīng)用成為可能。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明鐵基非晶合金涂層，利用了最新發(fā)展起來(lái)的具有高的玻璃形成能力(塊體樣品臨界直徑9mm)的Fe基大塊非晶合金成分，由下述元素組成(原子百分比)Cr14-16;Mo13-15;C14-16;B5-7;Y0-2;Fe余量。首先，按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金；然后，釆用氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，氣體霧化的具體工藝參數(shù)為霧化壓力"MPa,霧化溫度1100~1300°C。粉末粒度為+16-45,;再釆用超音速(HighVelocityOxgenFuel,HVOF)熱噴涂技術(shù)，具體工藝參數(shù)為煤油和氧氣的壓力分別150~170psi、170190psi，送^度為20~65g/min,距離為20(M00mm,槍管長(zhǎng)度4^英寸，制備出鐵基非晶合金涂層，涂層厚度為300nm-600,。由于在噴涂過(guò)程中的晶化和氧化，其非晶相體積含量約為70%~85%。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下1、非晶態(tài)合金(亦稱(chēng)金屬玻璃)呈現(xiàn)出長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的結(jié)構(gòu)特性，具有許多優(yōu)異的力學(xué)和物理性能，如高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐磨性、良好的磁性能等，具有巨大的潛在應(yīng)用前景。但是，大塊非晶合金尚未在實(shí)際工程中得以應(yīng)用，原因是非晶合金有一個(gè)致命的弱點(diǎn)即脆性，作為結(jié)構(gòu)材料走向工程化應(yīng)用受到了極大的限制。本發(fā)明釆用氣體霧化與超音速熱噴涂相結(jié)合的方法，使"大塊"非晶合金在表面工程領(lǐng)域(尤其是非晶涂層)的應(yīng)用成為可能。2、熱噴涂技術(shù)是工業(yè)上常用的一種制備保護(hù)涂層的技術(shù)，應(yīng)用范圍廣。因此,它是制備新型高性能非晶合金涂層的一種很好的潛在技術(shù)。本發(fā)明利用氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，然后用超音速熱噴涂的方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，制備出非晶合金涂層，并利用最新發(fā)展起來(lái)的具有高的玻璃形成能力的Fe基大塊非晶成分，充分發(fā)揮Fe基非晶態(tài)合金高耐腐蝕、耐磨損等性能特點(diǎn)，發(fā)展了一種適于海洋環(huán)境中應(yīng)用的實(shí)用非晶態(tài)合金涂層。3、釆用本發(fā)明獲得的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層均勻、孔隙率小(<1%),具有高耐磨、耐蝕和無(wú)磁的優(yōu)異性能，在船舶殼體浙料的應(yīng)用上有著巨大前景。圖l(a)-(b)為Fe基非晶態(tài)合金粉末形貌其中，圖l(b)為圖l(a)的放大視圖。圖2為Fe基非晶合金粉末與涂層非晶結(jié)構(gòu)X射線檢測(cè)結(jié)果。圖3為Fe基非晶態(tài)合金涂層組元(Fe、Y、Mo、Cr、O)隨涂層厚度分布情況。圖4(a)-(b)為Fe基非晶態(tài)合金涂層掃描電鏡觀察結(jié)果。其中，圖4(b)為圖4(a)的局部放大視圖。圖5為室溫下Fe基非晶合金涂層與對(duì)g擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果。圖6為Fe基非晶合金涂層與^i在1MHC1水溶液中動(dòng)電位極化曲線。圖7為不同溫度下Fe基非晶合金粉末與涂層磁化率曲線。具體實(shí)施方式實(shí)施例1(1)首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，合金名義成分為Fe48Cr15M0l4C15B6Y2，用氣體霧化法制備其非晶合金粉末，本實(shí)施例氣體霧化具體工藝參數(shù)為霧化壓力5MPa,霧化溫度1200°C。見(jiàn)圖1(a)-(b)。粉末呈類(lèi)球形，流動(dòng)性與充填性好，適宜于作為熱噴涂前驅(qū)體粉末。(2)之后，粒度16-45nm非晶粉末，用超音速火焰噴涂技術(shù)(HVOF),具體工藝參數(shù)為煤油和氧氣的壓力分別是160psi、180psi，送教t度為65g/min,距離為350mm，槍管長(zhǎng)度4-6英寸，在:^反上(潛,球扁鋼921A)進(jìn)行涂敷，制備出非晶涂層(見(jiàn)圖2),涂層厚度約為300,。在噴涂過(guò)程中的晶化和氧化，本實(shí)施例中非晶相體積含量約為82%。(3)用定量金相方法測(cè)得涂層孔隙率<1%，表明制備的涂層具備高致密性。用掃描電鏡觀察Fe基非晶態(tài)合金涂層組元(Fe、Y、Mo、Cr、O)隨涂層厚度分布情況，表明涂層均勻，與^t反結(jié)合良好(見(jiàn)圖3、4)。如圖l所示，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金粉末形貌。粉末呈類(lèi)球形，流動(dòng)性與充填性好，適宜于作為熱噴涂前驅(qū)體粉末。如圖2所示，F(xiàn)e基非晶合金粉末與涂層非晶結(jié)構(gòu)X射線檢觀燥果。如圖3所示，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金涂層組元(Fe、Y、Mo、Cr、O)隨涂層厚度分布情況，表明涂層是均勻分布的。如圖4(a)-(b)所示，F(xiàn)e基非晶態(tài)合金涂層掃描電鏡觀察結(jié)果。涂層與921A基板結(jié)合良好，孔隙率低。(4)涂層的性能(A)艦禾擁維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量了非晶涂層的5M值，并與^^反做了對(duì)比，涂層硬度是基板3倍以上(見(jiàn)表1):表l<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>(B)摩擦、磨損性能測(cè)量了涂層與^t的摩擦、磨損性能，其中摩擦副賴(lài)GCrl5鋼球，外加載荷80N,加載時(shí)間30min,頻率5Hz,振幅2mm。測(cè)量結(jié)果表明，涂層摩擦系數(shù)Oi=l.l)值明顯高于基板(|1=0.85)(見(jiàn)圖5);涂層的耐磨性(l.8xl013Pa)是^t反(1.1xl0'3pa)的2倍。如圖5所示，室溫下Fe基非晶合金涂層與基板摩擦系數(shù)測(cè)量結(jié)果，摩擦副選用GCrl5鋼球。(C)耐蝕性在1MHC1水溶液，0.33mV/s的掃描速率下，測(cè)量了不同涂層與^t室溫下動(dòng)電位極化曲線。測(cè)量表明，涂層鈍化電位五pit約為1V,呈現(xiàn)出明顯的自鈍化能力，腐蝕性能明顯優(yōu)于^t(見(jiàn)圖6)。如圖6所示，F(xiàn)e基非晶合金涂層、銅模鑄造2mmFe基完全非晶棒與基板在1MHC1水溶液中動(dòng)電位極化曲線。顯然，涂層呈現(xiàn)出明顯的自鈍化能力。(D)磁性能利用SQUID磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量了FeCrMoCBY非晶粉末及涂層的M-T(磁化率-溫度)關(guān)系曲線(見(jiàn)圖7)。其中實(shí)驗(yàn)溫度區(qū)間為5-300K、lOOOe的外場(chǎng)。測(cè)得該合金居里轉(zhuǎn)變溫度約為70K,即表明室溫(273K)下非晶粉末及涂層為順磁性(或無(wú)磁性)。如圖7所示，不同溫度下Fe基非晶合金粉末與涂層磁化率曲線。測(cè)得居里溫度70K，表明材料室溫下無(wú)磁性。實(shí)施例2與實(shí)施例l不同之處在于本實(shí)施例的超音速火焰噴涂具體工藝參數(shù)為噴涂距離350mm,送粉速度25g/min;結(jié)果獲得無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層，涂層厚度為400nm，非晶相體積含量約為74%，涂層現(xiàn)度為573Hv,但腐蝕性能無(wú)明顯變化。實(shí)施例3與實(shí)施例l不同之處在于本實(shí)施例的超音速火焰噴涂具體工藝參數(shù)為噴涂距離250mm,送粉速度60g/min;結(jié)果獲得無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層，涂層厚度為600,,非晶相體積含量約為83%,涂層硬度為740Hv,但腐蝕性能無(wú)明顯變化。權(quán)利要求1、一種無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于，采用鐵基大塊非晶合金制備鐵基非晶合金涂層，具體步驟如下首先，按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金；然后，采用氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，粉末粒度為16-45μm；最后，采用超音速熱噴涂技術(shù)，制備出鐵基非晶合金涂層，涂層厚度為300μm-600μm。2、按照權(quán)利要求1所述的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于，氣體霧化的具體工藝參數(shù)霧化壓力4^6MPa，霧化溫度1100~1300°C。3、按照權(quán)利要求1所述的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于，超音速熱噴涂的具體工藝參數(shù)為煤油和氧氣的壓力分別是15(M70psi、170190psi，送教"4t度為20~65g/min,距離為200~400mm。4、按照權(quán)利要求1所述的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于，在獲得的鐵基非晶合金涂層中，非晶相體積含量為70%~85%。5、按照權(quán)利要求1所述的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于，按原子百分比計(jì)，鐵基大塊非晶合金成分如下Cr14-16;Mo13-15;C14-16;B5-7;Y0-2;Fe余量。全文摘要本發(fā)明涉及具有強(qiáng)玻璃形成能力的鐵基合金成分，以及制備該種非晶合金涂層的技術(shù)方法，具體為一種無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層的制備方法，解決Fe基大塊非晶合金存在的脆性大，作為結(jié)構(gòu)材料走向工程化應(yīng)用受到限制的問(wèn)題，使大塊非晶合金在表面工程領(lǐng)域(尤其是非晶涂層)的應(yīng)用成為可能。采用鐵基大塊非晶合金制備鐵基非晶合金涂層，首先，按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金；然后，采用氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末；再采用超音速熱噴涂技術(shù)，制備出鐵基非晶合金涂層。采用本發(fā)明獲得的無(wú)磁高耐蝕耐磨非晶鋼涂層均勻、孔隙率小(＜1％)，具有高耐磨、耐蝕和無(wú)磁的優(yōu)異性能，在船舶殼體材料的應(yīng)用上有著巨大前景。文檔編號(hào)C23C24/08GK101323951SQ20071001168公開(kāi)日2008年12月17日申請(qǐng)日期2007年6月13日優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日發(fā)明者侯萬(wàn)良,倪紅松,常新春,甲張,王建強(qiáng)申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所