專利名稱：一種鐵基非晶涂層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵基非晶合金領(lǐng)域，特別涉及一種鐵基非晶合金涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
鐵基非晶合金自從被發(fā)現(xiàn)以來，以其超高的強(qiáng)度、低的材料成本、優(yōu)異的軟磁性能 和良好的耐磨、耐腐蝕性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，由于鐵基非晶合金室溫塑性較差，且大 尺寸鐵基非晶合金較難制備，限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。因此，非晶合金作為涂層的應(yīng) 用成為一個(gè)很具前景的研究方向。
涂層的制備方法有很多種，與其它制備方法相比，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、物理氣 相沉積(PVD)、電鍍、化學(xué)鍍、電刷鍍、激光熔覆等，熱噴涂制備涂層技術(shù)具有成本低、效率 高、面積大、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)用最廣泛的耐磨、耐腐蝕涂層的制備工藝。近年 來，雖然有人用等離子噴涂、電弧噴涂等熱噴涂方法制備出非晶涂層，但由于噴涂成本較 高，而且所制備涂層孔隙率較高，限制了其應(yīng)用范圍。
超聲霧化是在超聲波的作用下，液體在氣相中分散而形成微細(xì)霧滴的過程。超聲 霧化最早報(bào)道于1927年，此后大量的研究人員積極地將超聲霧化技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng) 域。20世紀(jì)50年代末，超聲技術(shù)被應(yīng)用于霧化金屬熔液從而制備金屬粉末，經(jīng)過數(shù)十年 的發(fā)展歷程已逐步改善成為一種能量利用率高、惰性氣體消耗量小而所制備粉末的球形度 好、粒度可控、粒度范圍窄的金屬粉末制備技術(shù)。
活性燃燒高速燃?xì)?ActivatedCombustion-High Velocity Air Fuel,AC-HVAF) 噴涂是介于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂和冷噴涂之間的新噴涂工藝，其原理是通過壓縮氣體與燃 料燃燒產(chǎn)生的高速氣流加熱粉體，使之加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，同時(shí)將粉體加速至700m/ s以上噴射到基體表面，從而沉積成致密度高和氧化物含量低的涂層。該噴涂工藝對(duì)噴涂材 料的熱退化影響非常低，制備的涂層具有良好的耐腐蝕及耐磨損性能，而且生產(chǎn)效率比傳 統(tǒng)超音速噴涂高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)提供了一種鐵基非晶涂層及其制備工藝，其目 的在于利用相對(duì)廉價(jià)的鐵基非晶粉末，以最新發(fā)展起來的空氣代替氧氣的活性燃燒高速燃 氣(AC-HVAF)噴涂工藝為制備方法，在保留高性能的前提下，降低非晶涂層的制備成本，使 其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用成為可能。
本發(fā)明提供了一種鐵基非晶合金涂層的制備方法，以非晶合金粉末為原料，采用 活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝制備非晶合金涂層，其特征在于所述非晶合金粉 末由下述元素和不可避免的雜質(zhì)組成，原子百分比
Cr 16. 0 ‘ 19
Mn 1. 0 ^ 3. 0
Mo 4. 0 -9. 0
W 1.0 3.0;
B 13.0 17.0;
C 2. 5 4. 5;
Si 1. 0 3. 5 ；
!^e 余量。
采用超聲氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，粉末粒度為15-45μπι。
然后，利用以空氣代替氧氣的活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝制備鐵基非 晶涂層，具體噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力0. 4 0. 8MPa, 一級(jí)燃燒室壓力0. 3 0. 6MPa, 二 級(jí)燃燒室壓力0. 2 0. 4MPa，噴涂距離100 300mm，送粉速率1 8rpm。
所制備涂層的孔隙率低于0. 5%，氧含量為0. 48%。
本發(fā)明的諸多優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用領(lǐng)域如下
1.本發(fā)明選用了一種最新發(fā)展起來的具有高耐蝕性的鐵基非晶成分，該成分含有 較多的耐蝕元素Cr，Mo, W等；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，易于工業(yè)化生產(chǎn)；另外，制備的非晶粉末具有非常好的流動(dòng)性，很適合 利用噴涂工藝制備涂層。
2.本發(fā)明采用了一種十分適于制備非晶涂層的活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴 涂技術(shù)，由于其以空氣代替氧氣，使得所制備涂層的氧化程度極低，有利于非晶相的形成， 同時(shí)，大大降低了噴涂成本。
3.本發(fā)明所獲得的鐵基非晶涂層，與基體結(jié)合緊密，具有很高的硬度和非常致密 的結(jié)構(gòu)，孔隙率低于0. 5%，氧含量?jī)H為0. 48% ；優(yōu)異的耐蝕性及其獨(dú)特的無磁性使其在船 舶、水力及油氣田開發(fā)設(shè)施、無磁艦船外殼領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景；而且由于其B含量較 高，具有良好的中子吸收能力，可以用于核廢料處理。


附圖1為氣體霧化鐵基非晶粉末的掃描電鏡(SEM)微觀形貌附圖2為氣體霧化制備的 ^-Cr-Mn-Mo-W-B-C-Si非晶合金粉末及活性燃燒高速 燃?xì)饣鹧鎳娡?HVAF)制備的涂層的X射線衍射結(jié)果；
附圖3為涂層截面的掃描電鏡(SEM)附圖4為涂層在3. 5wt. % NaCl水溶液中的極化曲線。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，合金成分為!^4a7Cr18Mrk9Mo ^4Wl6B15.2C3.8Si2.4(at. % )，將母合金放入霧化爐內(nèi)，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末。其 粉末顆粒形貌如圖1。可以看到，粉末大都程球形，具有良好的流動(dòng)性，適合熱噴涂。粉末和 涂層的X射線衍射圖如圖2所示。由圖可見，粉末(<45μπι)和涂層均為部分非晶態(tài)，涂 層的非晶化程度較高。
采用活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝制備鐵基非晶涂層，噴涂粉末粒度為15-45 μ m。具體噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力0. 54MPa，一級(jí)燃燒室壓力0. 48MPa，二級(jí)燃 燒室壓力0. 26MPa,噴涂距離180mm，送粉速率3rpm。
該工藝用空氣代替氧氣，降低了噴涂溫度，涂層為壓應(yīng)力，與基體結(jié)合緊密，涂層 氧含量為0.48%。涂層截面的掃描電鏡(SEM)如圖3，由圖可見，涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低 于 0. 5%。
用電化學(xué)方法測(cè)試涂層的耐腐蝕性，其極化曲線如圖4所示，并與相應(yīng)非晶條帶 和45#鋼進(jìn)行了對(duì)比。由圖可見，涂層在該溶液中具有較好的鈍化行為，低的鈍化電流密度 和寬的鈍化區(qū)間，說明其耐蝕性很好，遠(yuǎn)優(yōu)于45#鋼，但比非晶條帶差一些。
利用維氏顯微硬度計(jì)測(cè)量了非晶涂層的硬度值，所施壓力為200g，持續(xù)時(shí)間為 10s，每個(gè)樣品測(cè)試不同區(qū)域的10個(gè)數(shù)值，取平均值。涂層硬度達(dá)到857Hv。
實(shí)施例2
首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，合金成分為Fe55Cri6.2Mn2.8M0 4.5W2.6B13.5C4.3SiL1(at. % )，將母合金放入霧化爐內(nèi)，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末。采 用活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝制備鐵基非晶涂層。具體噴涂工藝參數(shù)為空氣 壓力0. 4MPa，一級(jí)燃燒室壓力0. 3MPa，二級(jí)燃燒室壓力0. 2MPa，噴涂距離100mm，送粉速率 Irpm0
實(shí)施例3
首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，合金成分為!^e47.9Cr18.8Mni.2M o8.TWl3B1^6C2.^i3.4(at. ，將母合金放入霧化爐內(nèi)，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末。采 用活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝制備鐵基非晶涂層。具體噴涂工藝參數(shù)為空氣 壓力0. 8MPa, 一級(jí)燃燒室壓力0. 6MPa, 二級(jí)燃燒室壓力0. 4MPa,噴涂距離300mm，送粉速率 8rpm。
權(quán)利要求
1. 一種鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用活性 燃燒高速燃?xì)饣鹧鎳娡恐苽洌渲?，所述鐵基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的雜質(zhì) 組成，各元素及其原子百分比含量分別為Cr 16. 0 -一 19.Mn 1. 0 3. 0 ；Mo 4. 0 9. 0 ；W 1. 0 3. 0 ；B 13. 0 -- 17.C 2. 5 4. 5 ；Si 1. 0 3. 5 ；Fe余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于，所述噴涂工藝參數(shù) 為助燃?xì)怏w壓力0. 4 0. 8MPa, 一級(jí)燃燒室壓力0. 3 0. 6MPa, 二級(jí)燃燒室壓力0. 2 0. 4MPa,噴涂距離100 300mm，送粉速率1 8rpm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于，所述非晶合金粉 末用超聲氣體霧化方法制備，粉末的粒度范圍為15-45 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于，所述涂層的 孔隙率低于0.5%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于，所述助燃?xì)?體為空氣或氧氣。
6.利用權(quán)利要求1-5之一所述的方法制備的鐵基非晶涂層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鐵基非晶涂層的制備方法，以鐵基非晶合金粉末為原料，采用活性燃燒高速燃?xì)饣鹧鎳娡恐苽浞蔷繉樱龇蔷Ш辖鸱勰┯上率鲈睾筒豢杀苊獾碾s質(zhì)組成Cr16.0~19.0；Mn1.0~3.0；Mo4.0~9.0；W1.0~3.0；B13.0~17.0；C2.5~4.5；Si1.0~3.5；Fe余量。本發(fā)明降低了非晶涂層的制備成本，所制備的鐵基非晶涂層與基體結(jié)合緊密，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率和氧含量很低，具有很高的硬度、優(yōu)異的耐蝕性及其獨(dú)特的無磁性，使其在船舶、水力及油氣田開發(fā)設(shè)施、無磁艦船外殼領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景；而且由于其B含量較高，具有良好的中子吸收能力，可以用于核廢料存儲(chǔ)罐。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102041468SQ20101057589
公開日2011年5月4日 申請(qǐng)日期2010年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月7日
發(fā)明者張 誠, 李寧, 柳林, 諶祺, 郭瑞強(qiáng) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)