CN106222655A - 一种非晶合金覆层的制备方法 - Google Patents

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赵璇
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Abstract

本发明公开了一种非晶合金覆层的制备方法，由以下步骤组成：配置合金粉末、基材预处理、涂层、激光熔覆；首先按照原子摩尔比分别为钴34％、铬29％、铁8％、镍8％、硅7％、硼14％进行合金粉末的配置；再对H13钢基材进行表面处理以及烘干处理，将配置好的合金粉末一并烘干；然后将合金粉末预置在H13钢基材表面；在氩气保护罩中使用脉冲激光器对预置基体进行熔覆。本发明方法制备的合金覆层上部含有85％左右的非晶相，并且能够实现覆层与基体的良好冶金结合，还具有较强的显微硬度及耐磨性，热稳定性也较好；此外，本发明方法可以大幅度降低非晶合金覆层的生产成本，符合我国的可持续发展战略要求，具有重大的生产意义。

Description

一种非晶合金覆层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备方法，尤其涉及一种非晶合金覆层的制备方法。
背景技术
非晶合金也称为金属玻璃，是由液态合金在冷却速度极大的条件下凝固，金属原子来不及进行有序排列而结晶，最终得到长程无序、短程有序结构的固态结构。非晶合金具有许多独特的性能，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。目前，大块非晶合金的研究受困于合金尺寸和高昂的生产成本。而制备非晶合金覆层既能避免上诉弊端，又可以获得其优异的使用性能，因此，非晶合金覆层成为了人们的研究热点。传统的非晶合金覆层的制备方法主要有等离子喷涂法、电弧喷涂法和超音速火焰喷涂法，但上述方法均存在不同程度的缺陷，如等离子喷涂法对合金粉末粒的要求较高，粒度太大会影响合金性能；电弧喷涂法只能喷涂丝材，而且合金覆层的孔隙率较高；超音速火焰喷涂法容易存在未熔颗粒。因此，急需开发一种新型的非晶合金覆层的制备方法。
发明内容
为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种非晶合金覆层的制备方法。
为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种非晶合金覆层的制备方法，由以下步骤组成：
a、配置合金粉末：按照原子摩尔比分别为钴34％、铬29％、铁8％、镍8％、硅7％、硼14％进行合金粉末的配置；
b、基材预处理：先用磨床对H13钢基材表面进行机加工，保证表面光滑平整；再使用丙酮清洗去除表面油污和脏物，然后放入干燥箱中进行烘干处理；配置好的合金粉末一并放入干燥箱中；将干燥箱的温度设置为100℃，作用时间为1h；
c、涂层：取出烘干好的合金粉末和H13钢基材，将合金粉末预置在H13钢基材表面，并通过刮粉器控制预置合金粉末的厚度，使粉末的厚度为200μm；
d、激光熔覆：将预置好合金粉末的基体放置于氩气保护罩中，对保护罩进行预通气，氩气通入时间为1.5min；使用脉冲激光器对充氩保护罩中的预置基体进行熔覆；将脉冲激光器的工作参数设置为：电流380A，脉宽8ms，频率4Hz，激光扫描速度为100mm/min，激光斑点直径为2.2～2.5mm，激光离焦量为20mm；熔覆结束后，将基体冷却至室温，即在H13钢表面得到非晶合金覆层，完成制备。
氩气保护罩的材质为石英玻璃，用于观察保护罩内部的加工轨迹，并保护激光器上的光学镜片不会受到高温粉末灼烧。
脉冲激光器为Nd:YAG固体激光器。
本发明方法制备的合金覆层中含有含量较高的非晶相，并且能够实现覆层与基体的良好冶金结合，还具有较强的显微硬度及耐磨性，热稳定性也较好，最重要的是，本发明方法可以大幅度降低非晶合金覆层的生产成本，从而符合我国的可持续发展战略要求，具有重大的生产意义。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图。
图2为非晶合金覆层的FE-SEM扫描结果示意图。
图3为非晶合金覆层的XRD图谱。
图4为非晶合金覆层的TEM结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明由以下步骤组成：
a、配置合金粉末：按照原子摩尔比分别为钴34％、铬29％、铁8％、镍8％、硅7％、硼14％进行合金粉末的配置；
b、基材预处理：先用磨床对H13钢基材表面进行机加工，保证表面光滑平整；再使用丙酮清洗去除表面油污和脏物，然后放入干燥箱中进行烘干处理；配置好的合金粉末一并放入干燥箱中；将干燥箱的温度设置为100℃，作用时间为1h；
c、涂层：取出烘干好的合金粉末和H13钢基材，将合金粉末预置在H13钢基材表面，并通过刮粉器控制预置合金粉末的厚度，使粉末的厚度为200μm；
d、激光熔覆：将预置好合金粉末的基体放置于氩气保护罩中，对保护罩进行预通气，氩气通入时间为1.5min；使用脉冲激光器对充氩保护罩中的预置基体进行熔覆；将脉冲激光器的工作参数设置为：电流380A，脉宽8ms，频率4Hz，激光扫描速度为100mm/min，激光斑点直径为2.2～2.5mm，激光离焦量为20mm；熔覆结束后，将基体冷却至室温，即在H13钢表面得到非晶合金覆层，完成制备。
氩气保护罩的材质为石英玻璃，用于观察保护罩内部的加工轨迹，并保护激光器上的光学镜片不会受到高温粉末灼烧。石英玻璃保护罩的优点为对激光吸收较少，激光透过率可达90％以上。
脉冲激光器为Nd:YAG固体激光器。
下面通过具体实验对本发明的技术效果进行进一步地验证：
(1)场发射扫描电子显微镜分析(FE-SEM)
采用线切割机对制备好的试验样品进行切割，获取尺寸为13mm×5mm×5mm的试样。将切割后的试样放入盛有丙酮的烧杯中，将烧杯放入超声波清洗机清理10min，去除试样表面的油污。将试样横截面作为待观察面进行镶样，然后用由粗到细不同型号的砂纸对观察面进行粗磨和精磨，最后抛光至表面光亮且无划痕。用一定配比的硝酸和盐酸的混合物(王水)对试样的横截面进行腐蚀，时间为25-30s，依次用水和丙酮清洗覆层表面，再用吹风机吹干后电镜观察。
FE-SEM电镜扫描结果如图2所示。其中，图2(a)为覆层横截面宏观形貌图，上部颜色较深的区域为覆层，下部颜色较浅的区域为基体，图中可以看出覆层成形良好且与基体呈现良好的冶金结合；图2(b)为覆层上部区域的放大图，由图可知，覆层上部区域微观形貌十分光亮平整，无凝固结晶组织的形貌特点，可推断出该区域由非晶相组成；图2(c)为熔合线区域放大图，覆层和基体之间出现明显的白亮带，且熔合线以上有明显的柱状树枝晶，说明两者之间形成了良好的冶金结合；图2(d)为柱状树枝晶的放大图，熔合线附近形成了枝晶是因为在熔合线附近会发生基体对覆层稀释的现象，Fe元素溶入覆层根部，改变覆层根部靠近熔合线区域的化学组成，进而改变了覆层根部组织形成非晶的能力。由于覆层根部的成分发生变化，相互交错排序的原子种类发生了变化，促使不同种类的原子呈有序排列的趋势，因此覆层凝固后根部组织会发生结晶现象。
(2)X射线衍射分析(XRD)
采用线切割机对样品进行切割，得到尺寸为10mm×10mm×3mm的试样。用砂纸对试样熔覆层进行轻磨处理，打磨掉覆层表面的熔渣和氧化物以待观测，保证观侧表面平整，观测面尺寸为10mm×10mm。采用X射线衍射仪对试样进行检测，得到的XRD图谱如图3所示。
从图3中可以看出，XRD图谱中出现了明显的面积较大的“馒头峰”；因非晶相不存在微观重复结构，所以XRD图谱里面理应没有尖锐的衍射峰，只会出现宽化的漫散峰，也称为“馒头峰”，因此可以判断出，覆层上部确实存在非晶相。此外，XRD图谱中还掺杂着晶化峰，图中三角符号处的晶化相为(Co,Fe)固溶体。因此，CoCrFeNiSiB非晶覆层中不仅含有非晶相，还含有晶化相，覆层上部的相为非晶相和晶化相的混合组织。经过Jade软件拟合，可以估算出熔覆层上部的结晶度约为14.9％，因此，非晶相所占的比例约为85.1％。
(3)透射电子显微镜分析(TEM)
选取基体表面的覆层区域，使用线切割机在覆层顶部以下和覆层底部的枝晶区以上的区域截取高度为200μm的试样。然后先使用砂纸打磨试样至厚度为150μm，再使用冲床在试样表面以直径3mm打孔得到底面直径为3mm高度为150μm的微小圆柱体试样。最后使用双射流抛光机对其进行抛光得到最终试样。采用透射电子显微镜对覆层内部进行选区电子衍射分析，TEM结果如图4所示。
其中，图4(a)为覆层内部组织的明场像，从图4(a)的P区域进行选区电子衍射分析得到的衍射斑点如图4(b)所示。由于非晶相内部的原子保持无序排列，没有产生结晶的现象，它的衍射斑点不会像结晶相一样存在周期势场，因此它的衍射斑点只有一个明亮的衍射斑点，本试验进一步验证了覆层中存在非晶相。
(4)显微硬度测试
使用FE-SEM分析后的试样进行显微硬度测试。采用自动转塔数显式显微硬度计沿着覆层上部向基体的路径测量，载荷为200g，加载时间为10s。由覆层的顶部向基体沿覆层纵向进行显微硬度值的测量，对不同测量位置的显微硬度值进行统计分析，得出以下结论：覆层的显微硬度明显高于基体的显微硬度，覆层的显微硬度最大可达1200HV0.2，而基体显微硬度约为200HV0.2，显微硬度提高6倍。
(5)热稳定性测试
采用线切割机对覆层进行切割，获得试样尺寸为直径4mm，厚1mm的圆盘，然后用砂纸减薄圆盘厚度，使其厚度小于400μm。检测前将试样制成粉末颗粒状，采用差示扫描量热仪对覆层进行热稳定性测试，确定其工作温度区间。测试结果表明，非晶覆层在升温过程中析出了两种相，其中，玻璃化温度为298℃、晶化温度342℃，计算得到过冷液相区宽度为44℃。一般来说，过冷液相区越大，非晶态合金的玻璃形成能力越强，热稳定性越好。本发明制备的非晶覆层过冷液相区宽度可以与添加了稀土金属或其它贵重金属的覆层相媲美，具有较好的热稳定性。
(6)高温耐磨性测试
采用线切割机对覆层内部进行取样，试样尺寸为15mm×15mm×5mm，用丙酮清洗试样表面的油污，采用砂纸对覆层表面做精磨处理，使覆层表面保持平整。采用高温摩擦磨损试验机对非晶覆层在500℃，1150g载荷摩擦磨损条件下摩擦系数进行高温耐磨性测试。激光熔覆层的高温摩擦磨损性能通过摩擦系数和体积磨损率进行表征，结论如下：非晶覆层与材料表面的磨合时间极短，摩擦过程中能够迅速进入稳定磨损阶段，并且非晶覆层的摩擦系数在0.15±0.02的范围内波动，具有极好的耐磨性。
通过本发明的激光熔覆技术，制备得到的合金覆层上部的相为非晶相和晶化相的混合组织，且非晶相所占的比例高达85.1％；模具覆层中非晶相含量过高时，非晶覆层内部会开裂，从而使模具在热锻或热挤压时表面覆层易脱落，进而影响模具的精度以及使用寿命。因此，本发明适当地降低非晶相含量，会提高非晶覆层的塑韧性，对非晶覆层的耐磨性和冲击磨损性能的提高是有益的。
此外，与稀土金属体系或其它贵重金属体系制备的覆层相比，本发明制备的合金覆层不仅具有显微硬度高、耐磨性强、热稳定性好的优点，而且生产成本可以大幅度降低，符合我国的可持续发展战略要求，具有重大的生产意义。
上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种非晶合金覆层的制备方法，其特征在于：所述方法由以下步骤组成：
a、配置合金粉末：按照原子摩尔比分别为钴34％、铬29％、铁8％、镍8％、硅7％、硼14％进行合金粉末的配置；
b、基材预处理：先用磨床对H13钢基材表面进行机加工，保证表面光滑平整；再使用丙酮清洗去除表面油污和脏物，然后放入干燥箱中进行烘干处理；配置好的合金粉末一并放入干燥箱中；将干燥箱的温度设置为100℃，作用时间为1h；
c、涂层：取出烘干好的合金粉末和H13钢基材，将合金粉末预置在H13钢基材表面，并通过刮粉器控制预置合金粉末的厚度，使粉末的厚度为200μm；
d、激光熔覆：将预置好合金粉末的基体放置于氩气保护罩中，对保护罩进行预通气，氩气通入时间为1.5min；使用脉冲激光器对充氩保护罩中的预置基体进行熔覆；将脉冲激光器的工作参数设置为：电流380A，脉宽8ms，频率4Hz，激光扫描速度为100mm/min，激光斑点直径为2.2～2.5mm，激光离焦量为20mm；熔覆结束后，将基体冷却至室温，即在H13钢表面得到非晶合金覆层，完成制备。
2.根据权利要求1所述的非晶合金覆层的制备方法，其特征在于：所述氩气保护罩的材质为石英玻璃，用于观察保护罩内部的加工轨迹，并保护激光器上的光学镜片不会受到高温粉末灼烧。
3.根据权利要求1所述的非晶合金覆层的制备方法，其特征在于：所述脉冲激光器为Nd:YAG固体激光器。
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