CN102041468A - 一种铁基非晶涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁基非晶涂层的制备方法，以铁基非晶合金粉末为原料，采用活性燃烧高速燃气火焰喷涂制备非晶涂层，所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免的杂质组成：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。本发明降低了非晶涂层的制备成本，所制备的铁基非晶涂层与基体结合紧密，结构致密，孔隙率和氧含量很低，具有很高的硬度、优异的耐蚀性及其独特的无磁性，使其在船舶、水力及油气田开发设施、无磁舰船外壳领域有着极大的应用前景；而且由于其B含量较高，具有良好的中子吸收能力，可以用于核废料存储罐。

Description

一种铁基非晶涂层的制备方法

技术领域：

本发明涉及铁基非晶合金领域，特别涉及一种铁基非晶合金涂层的制备方法。

背景技术：

铁基非晶合金自从被发现以来，以其超高的强度、低的材料成本、优异的软磁性能和良好的耐磨、耐腐蚀性等特点而备受关注。然而，由于铁基非晶合金室温塑性较差，且大尺寸铁基非晶合金较难制备，限制了其作为结构材料的应用。因此，非晶合金作为涂层的应用成为一个很具前景的研究方向。

涂层的制备方法有很多种，与其它制备方法相比，如化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)、电镀、化学镀、电刷镀、激光熔覆等，热喷涂制备涂层技术具有成本低、效率高、面积大、环境友好等优点，成为目前应用最广泛的耐磨、耐腐蚀涂层的制备工艺。近年来，虽然有人用等离子喷涂、电弧喷涂等热喷涂方法制备出非晶涂层，但由于喷涂成本较高，而且所制备涂层孔隙率较高，限制了其应用范围。

超声雾化是在超声波的作用下，液体在气相中分散而形成微细雾滴的过程。超声雾化最早报道于1927年，此后大量的研究人员积极地将超声雾化技术应用于各个工程领域。20世纪50年代末，超声技术被应用于雾化金属熔液从而制备金属粉末，经过数十年的发展历程已逐步改善成为一种能量利用率高、惰性气体消耗量小而所制备粉末的球形度好、粒度可控、粒度范围窄的金属粉末制备技术。

活性燃烧高速燃气(Activated Combustion-High Velocity Air Fuel，AC-HVAF)喷涂是介于传统超音速火焰喷涂和冷喷涂之间的新喷涂工艺，其原理是通过压缩气体与燃料燃烧产生的高速气流加热粉体，使之加热到熔融或半熔融状态，同时将粉体加速至700m/s以上喷射到基体表面，从而沉积成致密度高和氧化物含量低的涂层。该喷涂工艺对喷涂材料的热退化影响非常低，制备的涂层具有良好的耐腐蚀及耐磨损性能，而且生产效率比传统超音速喷涂高。

发明内容：

本发明针对现有技术的缺点而设计提供了一种铁基非晶涂层及其制备工艺，其目的在于利用相对廉价的铁基非晶粉末，以最新发展起来的空气代替氧气的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺为制备方法，在保留高性能的前提下，降低非晶涂层的制备成本，使其大规模工业应用成为可能。

本发明提供了一种铁基非晶合金涂层的制备方法，以非晶合金粉末为原料，采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺制备非晶合金涂层，其特征在于：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 16.0～19.0；

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；

Fe余量。

采用超声气体雾化技术制备非晶合金粉末，粉末粒度为：15-45μm。

然后，利用以空气代替氧气的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺制备铁基非晶涂层，具体喷涂工艺参数为：空气压力0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力0.3～0.6MPa，二级燃烧室压力0.2～0.4MPa，喷涂距离100～300mm，送粉速率1～8rpm。

所制备涂层的孔隙率低于0.5％，氧含量为0.48％。

本发明的诸多优势及应用领域如下：

1.本发明选用了一种最新发展起来的具有高耐蚀性的铁基非晶成分，该成分含有较多的耐蚀元素Cr，Mo，W等；非金属元素C，B，Si使得其具有良好的玻璃形成能力及高硬度，该合金成本低廉，易于工业化生产；另外，制备的非晶粉末具有非常好的流动性，很适合利用喷涂工艺制备涂层。

2.本发明采用了一种十分适于制备非晶涂层的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂技术，由于其以空气代替氧气，使得所制备涂层的氧化程度极低，有利于非晶相的形成，同时，大大降低了喷涂成本。

3.本发明所获得的铁基非晶涂层，与基体结合紧密，具有很高的硬度和非常致密的结构，孔隙率低于0.5％，氧含量仅为0.48％；优异的耐蚀性及其独特的无磁性使其在船舶、水力及油气田开发设施、无磁舰船外壳领域有着极大的应用前景；而且由于其B含量较高，具有良好的中子吸收能力，可以用于核废料处理。

附图说明：

附图1为气体雾化铁基非晶粉末的扫描电镜(SEM)微观形貌图；

附图2为气体雾化制备的Fe-Cr-Mn-Mo-W-B-C-Si非晶合金粉末及活性燃烧高速燃气火焰喷涂(HVAF)制备的涂层的X射线衍射结果；

附图3为涂层截面的扫描电镜(SEM)图；

附图4为涂层在3.5wt.％NaCl水溶液中的极化曲线。

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。

实施例1

首先按所需成分用真空感应熔炼的方法制得母合金，合金成分为Fe_49.7Cr₁₈Mn_1.9Mo_7.4W_1.6B_15.2C_3.8Si_2.4(at.％)，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。其粉末颗粒形貌如图1。可以看到，粉末大都程球形，具有良好的流动性，适合热喷涂。粉末和涂层的X射线衍射图如图2所示。由图可见，粉末(＜45μm)和涂层均为部分非晶态，涂层的非晶化程度较高。

采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺制备铁基非晶涂层，喷涂粉末粒度为：15-45μm。具体喷涂工艺参数为：空气压力0.54MPa，一级燃烧室压力0.48MPa，二级燃烧室压力0.26MPa，喷涂距离180mm，送粉速率3rpm。

该工艺用空气代替氧气，降低了喷涂温度，涂层为压应力，与基体结合紧密，涂层氧含量为0.48％。涂层截面的扫描电镜(SEM)如图3，由图可见，涂层结构致密，孔隙率低于0.5％。

用电化学方法测试涂层的耐腐蚀性，其极化曲线如图4所示，并与相应非晶条带和45#钢进行了对比。由图可见，涂层在该溶液中具有较好的钝化行为，低的钝化电流密度和宽的钝化区间，说明其耐蚀性很好，远优于45#钢，但比非晶条带差一些。

利用维氏显微硬度计测量了非晶涂层的硬度值，所施压力为200g，持续时间为10s，每个样品测试不同区域的10个数值，取平均值。涂层硬度达到857Hv。

实施例2

首先按所需成分用真空感应熔炼的方法制得母合金，合金成分为Fe₅₅Cr_16.2Mn_2.8Mo_4.5W_2.6B_13.5C_4.3Si_1.1(at.％)，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。采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺制备铁基非晶涂层。具体喷涂工艺参数为：空气压力0.4MPa，一级燃烧室压力0.3MPa，二级燃烧室压力0.2MPa，喷涂距离100mm，送粉速率1rpm。

实施例3

首先按所需成分用真空感应熔炼的方法制得母合金，合金成分为Fe_47.9Cr_18.8Mn_1.2Mo_8.7W_1.3B_16.6C_2.1Si_3.4(at.％)，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。采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺制备铁基非晶涂层。具体喷涂工艺参数为：空气压力0.8MPa，一级燃烧室压力0.6MPa，二级燃烧室压力0.4MPa，喷涂距离300mm，送粉速率8rpm。

Claims (6)

1.一种铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，以铁基非晶合金粉末为原料，采用活性燃烧高速燃气火焰喷涂制备，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，各元素及其原子百分比含量分别为：

Cr 16.0～19.0；

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；

Fe 余量。

2.根据权利要求1所述的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，所述喷涂工艺参数为：助燃气体压力0.4～0.8MPa，一级燃烧室压力0.3～0.6MPa，二级燃烧室压力0.2～0.4MPa，喷涂距离100～300mm，送粉速率1～8rpm。

3.根据权利要求1或2所述的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，所述非晶合金粉末用超声气体雾化方法制备，粉末的粒度范围为15-45μm。

4.根据权利要求1-3之一所述的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层的孔隙率低于0.5％。

5.根据权利要求1-4之一所述的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，所述助燃气体为空气或氧气。

6.利用权利要求1-5之一所述的方法制备的铁基非晶涂层。

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