CN103862055B - 一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有低磁高致密的新型铁基非晶涂层的制备方法，以Slater-Pauling磁性曲线为基础，开发出低磁铁基非晶合金新成分Cu：6.8~9.6%；Cr：14.8~15.8%；Mo：24.5~25.4%；C：3.5%；B：1%；Y：2.3~3.4%，其余为Fe。将该成分的铁基非晶合金采用工业气雾化技术制备成粉末原料，采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)火焰喷涂制备非晶涂层。本发明提供的铁基非晶涂层制备工艺接近实际工业化水平，工艺可控、成本低廉，具有高致密度、低磁性、高硬度、耐磨等优点，解决了铁基非晶涂层孔隙率高、易磁化以及成本高的缺点，在电力、舰船、油田等领域中具有非常大的应用潜力。

Description

一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及非晶合金涂层材料，具体涉及一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法。

背景技术

铁基块体非晶合金具有高强度、高耐磨性、优异的耐腐蚀性，应用前景可观。铁基非晶合金的主要构成元素是过渡金属和类金属，成本低廉。作为一种新型高性能金属工程材料，三维大尺寸的Fe基非晶合金材料的制备及其应用技术，一直是材料科学领域研究和关注的重要课题之一。然而，由于尺寸上的限制，Fe基非晶合金难以作为一种结构材料而获得广泛应用。

采用现代先进喷涂技术能够获得厚度可控、大面积、高质量的非晶合金涂层，从而极大地突破非晶合金尺寸上的限制。非晶合金涂层可应用于材料表面技术领域，起到防护、隐身作用或形成特种物理、化学或力学性能，从而极大拓展非晶合金材料的应用范围。常用的热喷涂方法包括等离子喷涂、超音速喷涂、超音速火焰喷涂，爆炸喷涂、电弧喷涂等，其中超音速喷涂是制备Fe基非晶涂层的重要方法之一，该方法制备的非晶涂层杂质少，残余应力小，涂层致密，沉积粒子间孔隙率小。活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺，是近期发展起来的一种新型超音速火焰喷涂技术，具有高粒子飞行速度、低火焰温度以及高沉积效率等优点。同时，利用氧气与空气的混合气体助燃，因此只要喷涂合金成分适宜，工艺适当，极容易形成非晶相。

目前我国舰艇的隐身技术与发达国家相比仍然有很大的差距，其中重要的原因是在无磁或弱磁材料的研究上相对落后，制造军舰所使用的材料容易被地球磁场磁化。另外，我国军舰用材料的耐海水腐蚀性能较差，在服役一定时期之后都要回到船坞进行整修，否则会严重影响其防护性能。Fe基非晶合金材料由于其结构的均匀性、不存在晶界、位错、沉淀相等特点，而具有极高的耐蚀性能，因此开发一种具有超低磁Fe基非晶合金涂层材料对工业与国防具有重大的战略意义。

发明内容

本发明针对目前铁基非晶涂层孔隙率高、易磁化以及成本高的不足，提供了一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法。

本发明人已经开发出目前国际上临界尺寸最大的无铁磁性Fe基块体非晶合金Fe₄₁Co₇Cr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂，在该Fe基非晶合金成分基础上，根据著名的Slater-Pauling磁性曲线，材料的原子磁矩与原子外壳电子数目的关系，通过向铁基非晶合金中添加Cu、Ni等过渡金属元素来填充原子核外电子轨道，减少核外单电子数目，降低电子自旋磁矩，从而设计具有超低磁的铁基非晶合金新成分Fe_48-xCu_xCr₁₅Mo₁₄C₁₅B₆Y₂ (at%，x= 2、5、8、9、14，名义成分)。

本发明提出的低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)依据Slater-Pauling磁性曲线，设定低磁铁基非晶合金成分，所述铁基非晶合金由Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和Y组成；

(2)采用工业气雾化法将步骤(1)设定的低磁铁基非晶合金成分制备成铁基非晶粉末原料，所述铁基非晶合金组份的质量百分比为：

Cu：6.8~9.6%

Cr: 14.8~15.8%

Mo: 24.5~25.4%

C: 3.5%

B: 1%

Y: 2.3~3.4%

其余为Fe，其总质量满足100%；

工业气雾化法的反应条件为：控制过热度为98-102 ℃，真空度5 Pa，雾化压力20 MPa；粉末粒度主要集中在30~60 μm；

(3)采用活性燃烧高速炮报喷涂技术制备铁基非晶涂层，控制压缩空气和丙烷的压力分别为90～92 psi和74～77 psi，送粉率3~5rpm，喷涂距离180~230mm，枪管长度200~275mm。

采用工业纯原料、工业气体雾化法制备成铁基非晶粉末，粉末粒度主要为30~60 μm。

本发明中，所得铁基非晶涂层孔隙率低于<2%。

本发明所制备的非晶涂层孔隙率极低，且具有低磁性、高耐磨性。

本发明与已有的铁基非晶合金涂层相比具有如下特点：

（1）  本非晶涂层所需原料均为无毒、低成本的工业原料，制备工艺简单，可控性强。

（2）   本涂层具有高的致密度，孔隙率<2%。

（3）  本涂层具有极弱的铁磁性，饱和磁化强度为0.547 emu/g，初始磁化率为7.6×10^-5。

（4）   本涂层具有高硬度、高耐磨性，维氏硬度为758 Hv。

附图说明

图1为气雾化的铁基非晶合金粉末的扫描电镜（SEM）图；

图2为非晶合金在为气雾化的铁基非晶合金粉末和活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)技术制备的铁基非晶涂层的X射线衍射(XRD)图；

图3铁基非晶涂层的截面扫描电镜背散射（BSE-SEM）图；

图4铁基非晶涂层的室温磁滞回线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

实施例1：本Fe基非晶合金粉末的化学成分为：Cu：6.8~9.6%；Cr: 14.8~15.8%；Mo: 24.5~25.4%；C: 3.5%；B: 1%；Y: 2.3~3.4%；其余为Fe；（质量百分比），总质量满足100%。

从Fe基非晶涂层的工业化角度出发，为实现脱离实验室的高纯原料、高真空气体保护的制备条件，本发明采用工业纯原料、工业气体雾化法批量制备Fe基非晶合金粉末。氩气雾化主要工艺参数为：过热度约100 ℃，真空度5 Pa，雾化压力20 MPa。气雾化法得到的非晶粉末形貌图，如图1所示。粉末多数为球状或椭球状，表面光滑，流动性良好。粉末粒度范围主要为30～60 μm，且分布较为均匀，适合喷涂。粉末和涂层的X射线衍射图（XRD），如图2所示。

本发明采用Kermetico公司生产的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂设备在45#钢基体上制备Fe基非晶涂层。喷涂前对基材表面进行除锈、除油等清洁处理，及喷砂粗化处理。

该喷涂系统使用丙烷为燃气，空气为助燃剂，氮气为送粉气体。喷涂工艺参数为空气压力90～92 psi，丙烷压力74～77 psi，喷涂距离180 mm，枪管长度225mm，送粉率3 rpm，涂层厚度可达400 μm。

AC-HVAF工艺用压缩空气取代了氧气，成本低，火焰温度低，生产效率高，沉积效率高。涂层与基体结合强度高，含氧量低。Fe基非晶涂层的截面扫描电镜照片，如图3所示，涂层结构致密，孔隙率低于<2%。

Fe基非晶涂层样品的磁性测量，采用振动样品磁强计(VSM)，测试条件为室温，最大磁场值为20 KOe。该涂层具有弱铁磁性，饱和磁化强度为0.547 emu/g，初始磁化率为7.6×10^-5。

用维氏硬度计测试涂层的显微硬度，所加载荷为1000ｇ，加载15ｓ，平均显微硬度值取10次测量的平均值，涂层硬度值达758 Hv。

实施例2：本实施方式与实施例1的不同点为：活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺参数为空气压力90～92 psi，丙烷压力74～76 psi，喷涂距离180 mm，枪管长度225 mm，送粉率5 rpm。其它与实施列1相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的厚度为 400 μm，孔隙率<2%，磁性能无显著变化。

实施例3：本实施例与实施例1的不同点为：活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺参数为空气压力90～92 psi，丙烷压力74～76psi，喷涂距离200 mm，枪管长度200 mm，送粉率3 rpm。其它与实施例1相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的厚度为 350 μm，孔隙率<2%，磁性能无显著变化。

Claims (2)

1.一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)依据Slater-Pauling磁性曲线，设定低磁铁基非晶合金成分，所述铁基非晶合金由Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和Y组成；

(2)采用工业气雾化法将步骤(1)设定的低磁铁基非晶合金成分制备成铁基非晶粉末原料，所述铁基非晶合金组份的质量百分比为：

Cu：6.8~9.6%

Cr: 14.8~15.8%

Mo: 24.5~25.4%

C: 3.5%

B: 1%

Y: 2.3~3.4%

其余为Fe，其总质量满足100%；

工业气雾化法的反应条件为：控制过热度为98-102 ℃，真空度5 Pa，雾化压力20 MPa；粉末粒度主要集中在30~60 μm；

(3)采用活性燃烧高速燃气喷涂设备制备铁基非晶涂层，控制压缩空气和丙烷的压力分别为90～92 psi和74～77 psi，送粉率3~5rpm，喷涂距离180~230mm，枪管长度200~275mm。

2.根据权利要求1所述的一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于：所述制备的铁基非晶涂层孔隙率低于2%。