CN103538314A

CN103538314A - 一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层及其制备方法

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Publication number: CN103538314A
Application number: CN201310459981.1A
Authority: CN
Inventors: 柳林; 张�诚; 周欢
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-09-29
Filing date: 2013-09-29
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2033-09-29
Also published as: CN103538314B

Abstract

本发明提供一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层及其制备方法，其中复合涂层由一种铁基非晶合金涂层与一种晶态金属涂层交互叠加构成，晶态金属涂层与基材直接接触，复合涂层的最外层为铁基非晶合金涂层；复合涂层中非晶涂层及晶态涂层的界面结合紧密，不存在连续孔隙；复合涂层采用超音速火焰喷涂技术获得；复合涂层与金属基体具有高结合强度；复合涂层的冲击韧性远高于单相铁基非晶合金涂层。本发明获得的复合涂层可在各种金属基体表面进行大面积涂覆，在船艇甲板、油气田开发、石油化工以及水利水电等诸多领域的装备与构件表面防腐耐磨处理有着广阔的应用前景。

Description

一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层以及制备该复合涂层的技术方法，属于复合涂层领域。

背景技术

非晶合金是近年来发展起来的一种兼具结构与功能一体化的新型亚稳态金属材料。该类合金（以低成本铁基非晶体系为主）通过热喷涂技术涂覆在各类金属基体表面，可大幅提高材料的使用寿命和服役性能，如抗腐蚀、耐磨耗、磁屏蔽以及抗辐照性能等。因此，铁基非晶涂层自上世纪末被日、美等发达国家开发出来后，由于其优异的性能引起在世界范围内的广泛关注。这类涂层被认为在船舰甲板、核废料储存、石油/天然气传输管道、隧道挖掘机械等诸多装备的表面工程领域有着潜在的应用前景。

超音速火焰喷涂（HVOF）是上世纪80年代出现的一种喷涂技术，主要通过燃烧室末端的拉瓦尔曲线设计，使得燃烧室压力增加，在喷口处的火焰流及喷涂粉末可获得数倍于音速的速度。超音速粉末在金属基体上沉积可获得孔隙率低、厚度达数厘米、且性能优异的涂层，已在诸多工业领域获得广泛应用。超音速喷涂所用的金属粉末材料大多采用气体雾化技术获得，气体雾化法是利用高速气流和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。所获得的粉末尺寸分布比较集中，球形度好，目前热喷涂用的非晶合金粉末大多采用气体雾化法制得。

单相非晶合金涂层由于其原子长程无序的结构特征（缺少变形单元），在外加载荷作用下往往表现出脆性断裂失效。在冲击载荷条件下，非晶合金涂层易与基材剥离，或发生涂层内部断裂，这在很大程度上限制了非晶合金涂层的应用范围。在铁基非晶合金涂层基体中加入一定的陶瓷颗粒第二相形成非晶基复合涂层，可在一定程度上改善涂层与基体的结合强度以及抵抗裂纹扩展的能力。但弥散增强型非晶基复合涂层存在以下两点不足：1）难以准确控制第二相颗粒在非晶基体中的均匀分布；2）由于第二相与非晶相的化学电位差，导致两者容易发生电偶腐蚀，从而降低非晶基复合涂层的耐蚀性。

发明内容

针对上述现有技术中的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种新型高冲击韧性的非晶基复合涂层，该类涂层与各类金属基材具有高的结合强度以及优异的抗冲击性能。此外，该复合涂层具有与单相非晶合金涂层同等优异的耐磨和抗腐蚀性能。同时，本发明还提供了非晶基复合涂层的制备方法。

本发明可明显改善单相非晶合金涂层的服役性能和使用寿命，使其满足在更苛刻工况下的使用要求，从而拓展非晶基复合涂层的应用范围。

本发明的采用如下技术方案：

一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层，由韧性良好的晶态金属涂层与铁基非晶合金涂层交互叠加构成，其中晶态金属涂层与金属基体直接接触以提高涂层的结合强度，最外层为单相非晶合金涂层以保持其优异的表面特性。

优选的，上述复合涂层中的晶态金属涂层采用以下纯金属材料之一：Ni，Al，Co，Cu；或采用下述合金材料之一：NiAl，NiCrAl，NiCrAlY，CoCrAlY，NiCoCrAlY。

优选的，上述复合涂层中的非晶合金涂层，以超声雾化（包括水雾法、气雾法）技术制备的非晶态合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制备，其中所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免杂质组成：

上述的复合涂层中，晶态金属涂层与铁基非晶合金涂层具有良好高温浸润性以形成紧密的界面结合。

上述的复合涂层中，铁基非晶合金涂层厚度为30-500μm，晶态金属涂层厚度为30-200μm；铁基非晶合金涂层与晶态金属涂层的体积比为1:1～10:1；铁基非晶合金涂层与晶态金属层的总叠加层数为2-10层。

本发明涉及的铁基非晶基复合涂层的制备过程如下：

喷涂前，对金属基体表面进行预处理，对金属基材表面依次进行酒精清洗、去污、喷砂活化以及火焰预热至150-200℃；然后采用超音速火焰喷涂（HighVelocity Oxygen Fuel,HVOF）设备在金属基材表面制备一层厚度为30-200μm的晶态金属涂层；待冷却片刻，采用同样的超音速火焰喷涂设备在预先沉积的晶态金属涂层表面喷涂一层厚度为30-200μm的非晶合金涂层；根据实际需要，依次重复上述两个步骤可制备出不同层数的复合涂层。制备晶态金属涂层与非晶合金涂层采用以下的热喷涂工艺参数：18-24L/h、26-32m³/h，送粉速度为20-60g/min，喷涂距离为200-600mm。

本发明的有益效果如下：

1）采用商业化的热喷涂设备制备叠层结构的非晶基复合涂层，仅通过改变送粉通道或采用两个喷枪，即可完成两种涂层的交替沉积。所制备的复合涂层结构可控、性能可调，该方法可以实现非晶基复合涂层的工业化生产。

2）非晶基复合涂层中晶态金属材料具有良好的塑性变形能力，可吸收外界冲击功以及阻碍裂纹扩展。因此，本发明涉及的复合涂层的冲击韧性远高于单相非晶合金涂层。此外，该复合涂层中晶态金属材料与金属基材以及与非晶合金涂层均具有良好的高温浸润性，因此该复合涂层与金属基体具有良好的结合强度。该复合涂层的最外层设计为单相非晶合金涂层，保持非晶涂层良好的耐蚀耐磨性能。

3）该铁基非晶基复合涂层在船舰外壳/甲板，各类石油化工管道，锅炉管道，隧道挖掘机，资源开采等承重环境下使用的装备表面有着巨大的应用前景。

附图说明

图1为采用本发明制备的两种铁基非晶基复合涂层的截面扫描电子显微镜照片（SEM）；

图2为两种铁基非晶基复合涂层（总层数分别为4层与6层）与单相非晶合金涂层的结合强度对比；

图3为两种铁基非晶基复合涂层（总层数分别为4层与6层）与单相非晶合金涂层的冲击韧性对比。

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。

一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层，由韧性较好的晶态金属涂层与非晶合金涂层交互叠加构成，其中晶态金属涂层与金属基体直接接触以提高涂层的结合强度，而复合涂层最外层为单相非晶合金涂层以保持其优异的表面耐蚀耐磨性能。

上述的复合涂层中的晶态金属涂层采用以下纯金属材料之一：Ni，Al，Co，Cu；或采用下述合金材料之一：NiAl，NiCrAl，NiCrAlY，CoCrAlY，NiCoCrAlY。

上述的复合涂层中的非晶合金涂层，是以超声雾化技术制备的非晶态合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制备，其中所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免杂质组成：

在上述的复合涂层中，晶态金属涂层与金属基体以及铁基非晶涂层均具有良好的高温浸润性，从而形成致密的界面结构。

在上述的复合涂层中，铁基非晶涂层厚度为30-500μm，晶态金属涂层厚度为30-200μm；铁基非晶涂层与晶态金属涂层的体积比为1:1～10:1；铁基非晶涂层与晶态金属层的总叠加层数为2-10层。

制备时：

1）喷涂前，对金属基体表面进行预处理，对金属基材表面依次进行酒精清洗、去污、喷砂活化以及火焰预热至150-200°；

2）采用15-45μm粒径范围的晶态金属粉末，利用超音速火焰喷涂（HighVelocity Oxygen Fuel,HVOF）设备在金属基材表面制备一层厚度为30-200μm的晶态金属涂层；

3）待冷却片刻，更换为粒径范围为20-55μm非晶合金粉末，采用同样的超音速火焰喷涂设备在预先沉积的晶态金属涂层表面直接喷涂一层厚度为30-200μm的非晶合金涂层；

4）制备晶态金属涂层与非晶合金涂层采用以下的热喷涂工艺参数：18-24L/h、26-32m³/h，送粉速度为20-60g/min，喷涂距离为200-600mm。

实施例1（以NiCrAl涂层为晶态金属涂层，复合涂层含有2层非晶合金涂层以及2层晶态金属涂层）

本实施例的复合涂层采用如下步骤：

（1）首先按上述所需的成分用真空感应熔炼的方法制得合金铸锭，然后将合金铸锭在雾化炉中重熔，通过惰性气体雾化技术制备非晶合金粉末及晶态金属粉末。

（2）采用超音速火焰喷涂技术（HVOF）制备非晶基复合涂层，具体工艺参数为煤油和氧气流量分别为24L/h、32m³/h，送粉速度为30g/min，喷涂距离为350mm，在45号钢基体表面首先制备一层厚度约为50μm厚的NiCrAl涂层。

（3）将粉末更换为非晶合金粉末，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24L/h、32m³/h，送粉速度为30g/min，喷涂距离为350mm，在已经沉积的NiCrAl涂层表面制备一层厚度约为200μm厚的铁基非晶合金涂层。

（4）重复步骤（2）；

（5）重复步骤（3）。

制备后的复合涂层如图1（a）所示，涂层与基体之间，以及晶态层与非晶层之间均结合紧密。

根据ASTMC633-01标准测试方法，测试了该涂层与碳钢基体的结合强度，共测试3组样品，取平均值。如图2所示，该复合涂层的结合强度为36MPa，远高于相同厚度下的单相非晶合金涂层的结合强度（26MPa）。

在室温环境下，采用落锤冲击试验机上测试了该复合涂层的冲击韧性。测量结果表明：该复合涂层的冲击韧性为3.5J，高于单相非晶合金涂层的冲击韧性（低于1.7J）。

实施例2（以NiCrAl涂层为晶态金属涂层，复合涂层含有3层非晶合金涂层以及3层晶态金属涂层）

与实施例1不同之处在于：

1）本实施例制备的复合涂层含有3层非晶合金涂层以及3层晶态金属涂层，如图1所示；

2）本实施例制备的复合涂层具有更高的结合强度，达到40MPa，如图2所

示；

3）本实施例制备的复合涂层具有更高的冲击韧性，达到17.6J，如图3所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种新型高冲击韧性非晶基复合涂层，其特征在于：所述复合涂层由一种铁基非晶合金涂层与一种晶态金属涂层交互叠加构成，其中与金属基材直接接触的一层为所述晶态金属涂层，所述复合涂层最外层为铁基非晶涂层。

2.根据权利要求1中所述的复合涂层，其中，所述铁基非晶合金涂层为单一非晶态或含少量晶化相的非晶态，其以超声雾化技术制备的非晶态合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制备而成，所述非晶态合金粉末由下述元素和不可避免杂质组成（以原子百分比计）：

3.根据权利要求1或2所述的复合涂层，其中，所述晶态金属涂层材料为纯金属材料Ni，Al，Co和Cu之一，或为合金材料NiAl，NiCrAl，NiCrAlY，CoCrAlY和NiCoCrAlY之一。

4.根据权利要求3所述的复合涂层，其中，通过以超声雾化、化学合成或物理合成技术制备晶态金属粉末，然后采用超音速火焰喷涂技术制备所述晶态金属涂层。

5.根据权利要求1或2所述的复合涂层，所述晶态金属涂层与所述铁基非晶合金涂层具有紧密结合的层间界面。

6.根据权利要求3所述的复合涂层，其中，所述铁基非晶合金涂层厚度为30-500μm，所述晶态金属涂层厚度为30-200μm。

7.根据权利要求3所述的复合涂层，其中，所述铁基非晶合金涂层与所述晶态金属涂层的体积比为1:1～10:1。

8.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于：所述铁基非晶合金涂层与所述晶态金属涂层的总叠加层数为2-10层。

9.一种权利要求1－8之一所述复合涂层的制备方法，其特征在于：所述复合涂层中铁基非晶合金涂层为完全非晶态或含少量晶化相的非晶态，其以超声雾化技术制备的非晶态合金粉末为原料，采用超音速火焰喷涂技术制备而成；

所述晶态金属涂层材料为纯金属材料Ni，Al，Co和Cu之一，或为合金材料NiAl，NiCrAl，NiCrAlY，CoCrAlY和NiCoCrAlY之一，通过超声雾化、或化学合成、或物理合成技术制备晶态金属粉末，然后采用超音速火焰喷涂技术制备该涂层；所述非晶合金粉末由下述元素和不可避免杂质组成（以原子百分比计）：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其中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18-24L/h、26-32m³/h，送粉速度为20-60g/min，喷涂距离为200-600mm。