專利名稱：一種超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有良好玻璃形成能力的鐵基非晶合金(非晶鋼)，特別提供了一種 適于制備超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的技術(shù)方法，以及該非晶鋼涂層在諸多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。
背景技術(shù)：
非晶態(tài)合金(亦稱金屬玻璃)被喻為材料領(lǐng)域發(fā)展歷程中繼“鋼鐵”、“塑料”之后 的第三次變革。與常規(guī)多晶金屬材料相比，非晶態(tài)合金呈現(xiàn)出長程無序、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。非晶鋼是金屬玻璃領(lǐng)域中非常重要的合金體系，它不 僅具有優(yōu)良的高強度特性，而且在耐腐蝕、抗磨損方面也表現(xiàn)出突出的性能。另外，其制備 成本低廉，具有極其廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)美國專利US 7052561 和 US20060213587 報道，C. T. Liu 和 S. J. Poon 發(fā)現(xiàn)了直 徑為12mm的大塊非晶鋼成分，且具有高強度、高硬度、好的耐蝕性和獨特的無磁性能。Acta Materialia50 (2002) 489-497報道，S. J. Pang等人對幾種非晶鋼的耐蝕性進行了研究，發(fā) 現(xiàn)其具有十分優(yōu)異的耐蝕性并制備了直徑為2 3mm的非晶鋼。但非晶鋼普遍存在塑性差 的特點，所以其作為結(jié)構(gòu)材料受到了極大的限制。目前為止，其應(yīng)用主要被限制在薄帶、粉 末等低維形狀上?；诜蔷т摢毺氐母吣臀g性和耐磨性，其作為一種表面防護涂層材料，具 有相當(dāng)可觀的應(yīng)用價值。沖刷腐蝕是材料表面在受到?jīng)_刷和腐蝕的交互作用下產(chǎn)生的一種危害性很大的 局部腐蝕，廣泛存在于石油、化工、水電、礦山等工業(yè)過程中。暴露在運動流體中的所有類型 的設(shè)備如料漿泵的過流部件、彎頭、三通和換熱器管，都會遭受到?jīng)_刷腐蝕的破壞，尤其是 在含固相顆?；蚋g性介質(zhì)的雙相流中，破壞更為嚴重，這大大縮短了設(shè)備的壽命。為此需 要一種既耐蝕又耐沖刷的涂層材料。而非晶合金則完全可以滿足這方面的需要。目前，制備涂層采用較多的工藝就是等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)。而 現(xiàn)有工業(yè)中應(yīng)用最多的等離子噴涂主要是空氣等離子噴涂，由于其噴涂過程中氧化嚴重 且噴涂速度低，制備的涂層結(jié)構(gòu)和性能不理想，且不利于非晶相的形成。為此加拿大西北 Mettech公司開發(fā)了一種高速三電極(Axial III)等離子噴涂設(shè)備。該系統(tǒng)采用獨特的軸 向送粉方式，使得其具有極高的沉積效率和送粉速率；另外，加上其獨特的惰性氣體保護措 施，使得其在制備金屬涂層時氧化現(xiàn)象明顯降低，從而該技術(shù)在制備非晶納米合金涂層方 面具備了很大的優(yōu)勢。另外通過噴嘴的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)噴涂顆粒速度達到超音速火焰噴涂 的速度水平。因而利用三電極等離子噴涂制備的涂層具有高致密度、氧含量低、結(jié)合強度高 和極高的沉積效率等特性。近些年來，有關(guān)非晶涂層的研究也越來越引起國內(nèi)外的高度重視。這也正是基 于非晶合金的眾多突出性能。早在2000年6月，美國國防部的“DARPA”(The Defense Advanced Research Projects Agency)就啟動了一系列有關(guān)"SAM，，(Structure Amorphous Metal)的重大研究項目，其中，高性能非晶態(tài)涂層的研究與應(yīng)用被列為重點課題。非晶鋼優(yōu)異的耐蝕性和無磁性，可以使得其在先進船舶殼體上，作為耐蝕涂層；其優(yōu)異的耐蝕性和耐 磨性以及高的硼含量，為核廢料處理工業(yè)提供了一種新的材料應(yīng)用載體；當(dāng)然還有很多有 待開發(fā)的應(yīng)用領(lǐng)域。為此，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能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極具工業(yè)化應(yīng)用的制備超硬高耐沖蝕非晶合金涂層 的技術(shù)，并探索非晶鋼涂層的應(yīng)用領(lǐng)域，進而使得非晶鋼涂層能作為一種優(yōu)異的工業(yè)材料 而應(yīng)用。本發(fā)明提供了一種非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于利用超聲氣體霧化技術(shù) 制備非晶鋼粉末，然后利用Mettech公司開發(fā)的高速三電極(Axial III)等離子噴涂制備 非晶鋼涂層，其工藝靈活，成本低廉，制備的涂層性能極佳。為了制備出性能突出的非晶鋼涂層，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案本發(fā)明非晶鋼涂層，根據(jù)工程需要和元素特性，選擇了一種多組元的非晶鋼成分。 首先利用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，該合金成分由下述元素組成，重量百分比為Cr:17 20Mo :5 15Mn:2 3W:5 8B:2 4C:1 2Si:l 2Fe 余量；所制備的涂層中非晶相的含量為70% 90%，氧含量僅為0. 12%。采用超聲氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，具體工藝參數(shù)為霧化溫度1300 1650K,霧化壓力4 7MPa，粉末粒度是325目 800目。最后，利用高速三電極(Axial III)等離子熱噴涂工藝制備非晶鋼涂層，具體噴涂 工藝參數(shù)為電流150 300A、送粉送率30 150g/min、噴涂距離80 220mm。本發(fā)明的諸多優(yōu)勢及應(yīng)用領(lǐng)域如下1.本發(fā)明選用了一種具有良好玻璃形成能力的非晶鋼粉末，該粉末合金成分中含 有較多的耐蝕元素Cr，Mo，W等，這使得其具有很好的耐蝕性；非金屬元素C，B，Si使得其具 有良好的玻璃形成能力及高硬度，該合金成本低廉，極易工業(yè)化生產(chǎn)；另外，制備的非晶粉 末具有非常好的流動性，很適合利用噴涂工藝制備涂層。最后，噴涂過程中形成的部分納米 晶提高了涂層的硬度等力學(xué)性能，進一步拓寬了非晶涂層的應(yīng)用領(lǐng)域。2.本發(fā)明采用了一種十分適于制備非晶合金涂層的等離子噴涂技術(shù)——高速三 電極(Axial III)等離子噴涂。該方法采用了獨特的三電極軸向送粉系統(tǒng)，具有噴束集中， 粒子速度高，落斑小等特點，使得其具有極高的噴涂速率和沉積效率，并可保證均勻一致的 高質(zhì)量涂層。另外，還采用了獨特的惰性氣體保護罩，可以使得制備的涂層氧化程度極低， 有利于非晶相的形成。通過調(diào)節(jié)噴槍的噴嘴大小，可以實現(xiàn)噴涂顆粒速度的提高，其速度和超音速火焰噴涂相當(dāng)。為此，利用該技術(shù)非常適合高性能非晶鋼涂層的制備，并可以作為工 業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)之一。3.本發(fā)明獲得的非晶鋼涂層，具有結(jié)構(gòu)均勻致密，孔隙率極低(< 0. 5% )；優(yōu)異 的耐蝕性和耐沖蝕性能以及獨特的無磁性，該涂層在替代硬鉻、船舶、水力及油氣田開發(fā)設(shè) 施、無磁艦船外殼，以及核廢料處理等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。


附圖1為氣體霧化非晶鋼粉末的掃描電鏡(SEM)微觀形貌圖；附圖2為該合金粉末及三電極(Axial III)等離子熱噴涂制備的涂層的X射線衍 射結(jié)果；附圖3為該涂層掃描電鏡(SEM)微觀形貌；其中(a)為涂層截面組織，(b)為涂層 表面熔化狀態(tài)形貌；附圖4為該涂層和同成分非晶條帶的差示量熱掃描儀(DSC)圖；附圖5為該涂層、同成分非晶條帶及電鍍鉻在IMHCl溶液中的極化曲線；附圖6為該涂層和基體材料的沖蝕行為比較；附圖7為該涂層和基體材料沖蝕后掃描電鏡(SEM)微觀形貌圖；(a)低碳鋼(b)無 磁船用鋼板(c)涂層。
具體實施例方式實施例1首先利用真空感應(yīng)熔煉的方法制備出該合金的母合金，合金成分為Fe54. 2 ;Cr 18. 3 ；Mo 13. 7 ；Mn 2. 0 ;ff 6. 0 ；B 3. 3 ；C 1. 1 ；Si 1. 4(wt. % )。然后將母合金放入超聲氣 體霧化加熱爐內(nèi)，優(yōu)化其工藝制備出了非晶鋼粉末。氣體霧化具體工藝參數(shù)為霧化溫度 1400K，霧化壓力7MPa。其粉末顆粒形貌如圖1。從圖中可以看出，粉末大都呈球形，且?guī)в?少量的衛(wèi)星組織。該粉末流動性與充填性極佳，大約0.25s/g.適宜于作為熱噴涂前驅(qū)體粉 末。該粉末的X射線衍射結(jié)果如圖2。由圖表明，由于霧化中冷卻速率和材料非晶形成能力 有限等原因，粉末中存在一定的晶體相，這對非晶涂層的形成并無大礙。利用Mettech公司開發(fā)的高速三電極(Axial III)等離子熱噴涂工藝制備非晶鋼 涂層，噴涂用粉末粒度為325目 800目。具體噴涂工藝參數(shù)為電流220A、送粉送率90g/ min、噴涂距離175mm。噴涂基體為低碳鋼和船用鋼板。另外該工藝采用惰性氣體保護罩，降 低了涂層中的氧含量；軸向送粉方式使得沉積效率較高。涂層的X射線衍射，截面掃描電鏡 (SEM)及DSC結(jié)果分別如圖2、3、4。由圖可見，涂層結(jié)構(gòu)致密均勻，孔隙率低(<0.5%)， 未熔顆粒少，氧含量僅為0. 12%。涂層非晶相含量大約73%。采用美國EG&G 公司產(chǎn)的 Potentionstat/Galvanostat Model 273 型恒電位儀來 測定涂層的電化學(xué)行為，參比電極為飽和KCl甘汞電極，掃描速率為0. 33mV/s，測得其極化 曲線如圖5。并與基體材料、同成分條帶以及電鍍鉻樣品進行了比較。由圖可見，涂層在IM 鹽酸溶液中表現(xiàn)出了很好的鈍化行為，鈍化電流低，大約10_4A/Cm2，鈍化區(qū)間大，大約1. 2V， 其耐蝕性遠遠好于基體不銹鋼以及電鍍鉻樣品。本發(fā)明制備的非晶鋼涂層具有優(yōu)良的耐腐 蝕性能。
利用維氏顯微硬度計MVK-H3測量了非晶鋼涂層與基體的硬度值，所施壓力為100g，持續(xù)時間為10秒，測試過程中，盡量避免在孔隙等缺陷附近測試，每個樣品測試不同 區(qū)域的10個數(shù)值，最后取平均值。由圖6可以看出，涂層硬度為1081HV，而基體低碳鋼和無 磁鋼板硬度分別為155HV和245HV，涂層硬度遠遠高于基板硬度(見圖6)。利用旋轉(zhuǎn)圓盤儀對該涂層和低碳鋼及無磁鋼板進行沖蝕行為評價。所選介質(zhì)為 1% NaCl+1%石英砂，石英砂粒度為200 300目，自來水作為溶劑。試樣所處位置對應(yīng)線 速度為15m/s，持續(xù)時間4小時。試驗過程中通過冷凝器對介質(zhì)進行冷卻。沖蝕速率和沖蝕 后表面形貌分別見圖6和圖7。可以看出，本發(fā)明制備的非晶鋼涂層具有很高的耐沖蝕性 能，涂層沖蝕速率比低碳鋼和無磁鋼板的降低了約75%。另外，涂層由于具有極高的硬度和 很好的耐蝕性，其沖蝕前后的表面形貌幾乎沒有發(fā)生明顯的變化，而基體材料表面沖蝕后 發(fā)生了嚴重的劃傷與磨損。這都表明，本發(fā)明非晶鋼涂層具有十分優(yōu)異的耐沖蝕行為。實施例2與實施例1不同之處在于本實施例的合金成分為Fe 59. 3 ；Cr 19. 8 ；Mo 5. 5 ；Mn 2. 1 ；W 6. 8 ；B 3. 8 ；C 1.5 ;Si 1.2(wt. %)，采用的等離子熱噴涂工藝參數(shù)為送粉量90g/min，噴涂距離125mm， 噴涂電流220A。結(jié)果制備的超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層，涂層厚度為700微米，孔隙率和氧含 量有所增大，非晶相體積含量約為70%，顯微硬度約為1170HV，耐沖蝕性能比實施例1中的 略好，但腐蝕性能有所降低。實施例3與實施例1不同之處在于本實施例的合金成分為Fe 58. 4 ；Cr 17. 3 ；Mo 8. 2 ；Mn 2. 6 ；W 7. 8 ；B 2. 3 ；C 1.8 ;Si 1.6(wt. %)，采用的高速三電極熱等離子噴涂工藝參數(shù)為送粉量90g/min，噴涂 距離150mm，噴涂電流220A。結(jié)果制備的超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層，涂層厚度為750微米， 孔隙率和氧含量略有增大，非晶相體積含量約為77%，顯微硬度約為1050HV，腐蝕性能及 耐沖蝕性能無明顯變化。實施例4與實施例1不同之處在于本實施例采用的高速三電極等離子熱噴涂工藝參數(shù)為送粉量90g/min，噴涂距 離150mm，噴涂電流190A，涂層厚度控制在50微米左右。結(jié)果制備的超硬高耐沖蝕非晶鋼 涂層，非晶相體積含量約為90%。這說明了在等離子噴涂過程中，涂層的厚度影響著非晶相 的含量，可以通過調(diào)整涂層厚度獲得不同非晶相含量的超硬高耐沖蝕涂層。
權(quán)利要求
一種超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于以非晶鋼粉末為原料，采用高速三電極等離子噴涂制備非晶鋼涂層，在高速三電極等離子噴涂方法制備非晶鋼涂層過程中，噴涂工藝參數(shù)為電流150～300A、送粉送率30～150g/min、噴涂距離80～220mm。
2.按照權(quán)利要求1所述超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于所述非晶 鋼粉末由下述元素組成，質(zhì)量百分比為Cr 17 20 Mo 5 15 Mn :2 3 W :5 8 B :2 4 C :1 2 Si :1 2 Fe 余量；所制備的涂層中非晶相的含量為70% 90%，氧含量僅為0. 12%。
3.按照權(quán)利要求1所述超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的制備方法，其特征在于所述非晶 鋼粉末采用超聲氣體霧化技術(shù)制備，氣體霧化的具體工藝參數(shù)為霧化溫度1300 1650K， 霧化壓力4 7MPa，粉末粒度是325目 800目。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超硬高耐沖蝕非晶鋼涂層的制備方法，涉及具有良好玻璃形成能力的非晶鋼合金，以及其具備的高強度、高硬度和優(yōu)異的耐蝕性及耐沖蝕性；特別是涉及非晶鋼涂層的制備方法及其潛在應(yīng)用領(lǐng)域。其特征在于利用超聲氣體霧化技術(shù)制備非晶鋼粉末，采用高速三電極等離子噴涂制備非晶鋼涂層，其工藝靈活，成本低廉，易于實現(xiàn)工業(yè)化。采用本發(fā)明獲得的高性能非晶鋼涂層結(jié)構(gòu)致密、氧含量低，具有極高的硬度、高耐蝕性和優(yōu)異的耐沖蝕等性能，在替代硬鉻、船舶、油氣田及水力設(shè)施、核廢料處理等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。另外，本發(fā)明技術(shù)可能的應(yīng)用范圍更為廣泛，可在制備防護涂層方面提供一種很好的思路與方法且有一定的指導(dǎo)意義。
文檔編號C23C4/06GK101812657SQ20091001045
公開日2010年8月25日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者侯萬良, 劉曉強, 常新春, 張甲, 王建強 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所