CN102041467B - 一种疏水性非晶合金涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种疏水性非晶合金涂层，以铁基非晶合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制得，其中所述铁基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成：Cr10.0-17.0；Mo12.0-20.0；B4.0-8.0；C10.0-18.0；Y 0.0-5.0；Fe余量。本发明还公开了一种上述涂层的制备方法。本发明获得的非晶态合金涂层不仅具备良好的疏水性能，还具有良好的耐腐蚀性能、高硬度和结合强度，因此在水下减阻、船舶壳体防污、锅炉四壁防垢、水力以及油气田开发等领域的设施上都有着极大的应用前景。
Description
技术领域：
本发明涉及一种疏水性非晶合金涂层，以及制备该种非晶合金涂层的技术方法，以及使非晶合金涂层的优异性能得以在工业中应用的思路。
背景技术：
疏水性涂层在日常生活和高技术工业、军事中应用广泛，近年来人们对材料表面的疏水性研究和开发越来越重视，已经制备出了许多超疏水性涂层(静态接触角大于150°)。但是这些涂层均为有机高分子涂层，他们机械强度低、与基体结合力差，其疏水性能在长期使用过程中会因聚集杂物而减弱甚至消失，同时有的制备工艺复杂，成本昂贵，限制了其应用范围。因此开发疏水性金属涂层就显得意义重大，但是由于常规晶态金属材料比较高的表面能，在其表面要获得疏水性十分困难。
铁基非晶合金自诞生以来，由于其独特的物化性质而受到极大关注，如：高强度、高耐蚀性、高耐磨性、良好的磁性。基于非晶合金这些优良的性能，以及较低的表面能，非晶合金在表面工程领域(尤其是非晶合金涂层)更具应用前景。目前关于非晶合金涂层的疏水性能的研究在国际上尚未见到公开报道，因而研究和开发具有疏水性的非晶合金涂层不仅能有效的解决疏水性有机涂层机械强度低、与基体结合力差的难题，而且能充分利用其优异的防腐耐磨性能，使得其表面的疏水性可以长期有效的保持，在工业以及军事领域均具有重大的意义。
超音速火焰喷涂(HVOF)是20世纪80年代出现的一种高能喷涂技术，主要利用燃烧室末端的拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室压力增加，通过该处的火焰流火的数倍于音速的速度。由于火焰含氧量少，温度适中，能有效的防止粉末涂层材料的氧化和分解，故特别适合低熔点粉末的喷涂。超音速火焰喷涂制备的涂层孔隙率低、结合强度和硬度高，涂层厚度可达数mm，因此在许多工业部门获得广泛应用。超音速喷涂所用的粉末材料大多采用气体雾化技术获得，气体雾化法是主要利用高速气流以80-100KHz的频率和2-2.5马赫的高速度冲击液态金属流，使其雾化成小液滴，随后凝固成粉末。所得粉末尺寸比较集中，平均尺寸小于45μm，粉末获得率高，球形化程度好，目前热喷涂用的非晶合金粉末大多采用气体雾化法制得。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种具有疏水性的非晶合金涂层，解决有机高分子疏水涂层存在的机械强度低、与基体结合力差，疏水性不持久的问题。同时，本发明还提供一种疏水性的非晶合金涂层的制备方法。
本发明的技术方案是：
一种疏水性非晶合金涂层，以铁基非晶合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制得，其中所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成，原子百分比：
Cr 10.0-17.0；
Mo 12.0-20.0；
B 4.0-8.0；
C 10.0-18.0；
Y 0.0-5.0；
Fe 余量。
通过分样筛把非晶粉末分成不同的粒径，具体的粒径范围分别为：20～33μm、33～45μm、45～55μm、20～74μm然后通过超音速火焰喷涂(HighVelocity Oxygen Fuel，HVOF)技术，助燃气体为氧气，具体的工艺参数为煤油和氧气流量分别为煤油和氧气流量分别为10-24L/h、22-32m3/h，送粉速度为20-40g/min，喷涂距离为200-500mm，制备出具有不同表面形貌的铁基非晶合金涂层，涂层厚度为350mm～600mm。所制备涂层中基本为非晶态。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明选用一种最新发展起来的铁基非晶合金成分，该成分具有较大的玻璃形成能力，且含有较多含量的耐蚀元素如Cr和Mo；该合金粉末在74μm以下均是完全非晶态，球形化程度高，流动性好，很适合作为超音速火焰喷涂的前躯体粉末；同时这种非晶粉末主元素为Fe，因此成本低廉，十分利于工业化生产。
通过优化HVOF的工艺参数和控制非晶粉末的粒径范围，可制备出具有不同表面形貌的非晶合金涂层，涂层具备不同程度的疏水性能。
本发明具有疏水性的非晶合金涂层，与基体结合紧密，具有很高的硬度和强度，氧含量低；其涂层表面不做任何后续处理即具有良好的疏水性能；另外，该涂层还兼具优异的耐腐蚀性能，在船舰外壳，锅炉四管等装备或装置上有着巨大的前景。
附图说明：
图1为不同粒径的Fe基非晶态合金粉末形貌。
图2(a)为Fe基非晶合金粉末及其涂层的X射线衍射检测结果；(b)为Fe基非晶合金涂层的透射电镜照片以及电子衍射花样。
图3为Fe基非晶态合金涂层表面水滴接触状态照片。
图4为Fe基非晶态合金涂层在模拟海水溶液中的动电位极化曲线图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种疏水性非晶合金涂层，以铁基非晶合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制得，其中所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成，原子百分比为：
Cr 10.0-17.0；
Mo 12.0-20.0；
B 4.0-8.0；
C 10.0-18.0；
Y 0.0-5.0；
Fe 余量。
实施例1
制备时：
(1)首先按上述所需的成分用真空感应熔炼的方法制得母合金，然后将母合金放入雾化炉内，由气体雾化技术制备非晶合金粉末。
(2)之后选用粒度分布为45～55μm非晶合金粉末，其粉末颗粒形貌如图1a，粉末大都呈近球形，具有良好的流动性，适合作为热喷涂前驱体粉末。非晶态合金粉末及其涂层的X射线衍射图如图2a所示，由图可见，粉末和制备的涂层均为非晶态。我们进一步用透射电镜(TEM)对铁基非晶合金涂层结构进行了检测，如图2b所示，涂层样品的明场像无明显的衬度变化，其衍射花样为弥散环，证实了制备的铁基非晶态合金涂层为完全非晶态。
(3)采用超音速火焰喷涂技术(HVOF)，具体工艺参数为煤油和氧气流量分别为22L/h、32m3/h，送粉速度为30g/min，喷涂距离为350mm，制备出铁基非晶合金涂层，涂层厚度约为350mm。本实施例中，该涂层中为单一非晶相。用Image plus图像专业软件测得涂层中孔隙率低于4％，表明制备的涂层具备较高的致密性，涂层与基体结合紧密。
涂层的性能
(A)疏水性能
一般认为材料的表面与水的接触角大于90°称之为疏水性表面，本实施例中采用静态接触角来表征涂层的疏水性能。如图3a所示，本实施例中非晶合金涂层的静态接触角为122°，表明这种涂层具有良好的疏水性。
(B)硬度
利用维氏显微硬度计测量了非晶态合金涂层的硬度值，每个样品测试不同区域的10个数值，取平均值，涂层的硬度为1050HV。
(C)耐蚀性
如图4所示，在3.5％NaCl溶液，0.5mV/s的扫描速率下，测量了不同非晶态合金涂层的室温下动电位极化曲线，并与相同条件下316不锈钢的极化曲线进行比较。测量表明，非晶态合金涂层在该溶液中能发生自钝化，且钝化电流较低，钝化区间约为1V，耐腐蚀性能明显优于316不锈钢。
实施例2
与实施例1不同之处在于：
本实施例所用非晶粉末粒径范围为33～45μm；超音速火焰喷涂具体的喷涂参数煤油流量为16L/h；获得的涂层为完全非晶态，涂层表面形貌为大部分未熔或半熔颗粒。其接触角如图3c所示，本实施例中非晶合金涂层的静态接触角为122°，说明该涂层具备良好的疏水性能。涂层的耐腐蚀性能优于316不锈钢。
实施例3
与实施例1不同之处在于：
本实施例所用非晶粉末粒径范围为20～33μm；超音速火焰喷涂具体的喷涂参数为煤油流量14L/h；获得的涂层为完全非晶态，其接触角如图3b所示，本实施例中非晶合金涂层的静态接触角为92°，说明该涂层具备良好的疏水性能。涂层的耐腐蚀性能优于316不锈钢。
实施例4
与实施例1不同之处在于：
本实施例所用非晶粉末粒径范围为20～74μm；超音速火焰喷涂具体的喷涂参数为煤油流量17L/h；获得的涂层为完全非晶态，其接触角如图3d所示，本实施例中非晶合金涂层的静态接触角为137°，说明该涂层具备更加优异的疏水性能。涂层的耐腐蚀性能优于316不锈钢。
Claims (3)
1.一种疏水性非晶合金涂层，其特征在于：以铁基非晶合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂制得，其中，
所述铁基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成：
Cr 10.0-17.0；
Mo 12.0-20.0；
B 4.0-8.0；
C 10.0-18.0；
Y 0.0-5.0；
Fe 余量；
所述超音速火焰喷涂中助燃气体为氧气，具体工艺参数为：煤油和氧气流量分别为10-24L/h、22-32m3/h，送粉速度为20-40g/min，喷涂距离为350-500mm；
所述铁基非晶合金粉末用超声气体雾化方法制备，所用的铁基非晶合金粉末的粒度范围在20～74μm，粉末为完全非晶态；
所述非晶合金涂层为单相非晶态。
2.根据权利要求1所述的疏水性非晶合金涂层，其特征在于，所制备的非晶合金涂层表面结构包含较多的未熔非晶颗粒。
3.一种疏水性非晶合金涂层的制备方法，其特征在于：以铁基非晶合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂制得，其中，
所述铁基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成：
Cr 10.0-17.0；
Mo 12.0-20.0；
B 4.0-8.0；
C 10.0-18.0；
Y 0.0-5.0；
Fe 余量；
所述超音速火焰喷涂的具体工艺参数为：煤油和氧气流量分别为10-24L/h、22-32m3/h，送粉速度为20-40g/min，喷涂距离为350-500mm；
所述铁基非晶合金粉末用超声气体雾化方法制备，所用粉末的粒度范围在20～74μm，粉末为完全非晶态；
所制备的非晶合金涂层为单相非晶态。
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