CN111485191B - 用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法 - Google Patents

用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法，该复合涂层粉末由锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物球磨、造粒得到，锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的质量比为2～8：2～8。非晶复合涂层的制备方法包括：采用等离子喷涂的方法在金属基体表面进行喷涂该复合涂层粉末。该复合涂层粉末按上述比例复配，综合了两种非晶粉末的元素组成，并通过球磨、造粒的方法，使两种不同的非晶粉末能够均匀分散，并具有一致的球形度和流动性能，进而使得复合后的复合涂层粉末比较适宜于等离子喷涂，进而使得喷涂得到的非晶复合涂层能够具有较高的涂层非晶含量，孔隙率较低，能够明显提高材料的耐磨防腐性能。

Description

用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶 复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面涂层领域，具体而言，涉及一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法。
背景技术
热喷涂技术丰富多样，广泛用于机电零部件、海洋材料和工程机械等材料的表面防护，大大的提高了材料使用价值，降低了成本。其中等离子喷涂技术有以下特点：可以获得各种性能的涂层，涂层组织结构致密与基体结合强度高，喷涂时对工件热变形影响小，不会引起基体材料组织和物相的变化，喷涂效率高，使得其应用领域非常广泛。
与晶体材料相比，非晶材料没有位错、晶界等缺陷，均匀致密的结构使其具有良好的防腐性能和力学性能，因此，非晶材料也被应用于等离子喷涂技术中。
但是，目前采用等离子喷涂技术所制备的非晶涂层中，非晶含量普遍不高，导致不能兼具较佳的耐腐蚀性能和耐磨性能，例如，非晶铁基涂层具有较好的耐腐蚀性，但是其耐磨性能稍差，不能够满足严苛工况下的使用。因此，现有的非晶涂层的耐磨防腐性能还有待进一步提升。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种涉及一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法，以改善上述问题。
本发明是这样实现的：
本发明实施例提供了一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末，其由锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物球磨、造粒得到，锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的质量比为2～8：2～8。
本发明实施例还提供了上述用于等离子喷涂的复合涂层粉末的制备方法，其包括：将锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物进行球磨后造粒。
本发明实施例还提供了一种非晶复合涂层的制备方法，其包括：以上述实施例的复合涂层粉末作为喷涂材料，采用等离子喷涂的方法在金属基体表面进行喷涂，以形成非晶复合涂层。
本发明实施例还提供了一种非晶复合涂层，其上述非晶复合涂层的制备方法制备得到，可选地，该非晶复合涂层的硬度为400～800HV0.2，孔隙率为2％～5％。
本发明实施例还提供了上述复合涂层粉末在等离子喷涂中的应用，可选地，该应用为在金属基体表面喷涂复合涂层粉末。
本发明上述实施例的有益效果至少有：按照质量比为2～8：2～8的比例复配锆基非晶粉末和铁基非晶粉末，综合两种非晶粉末的元素组成特点，并通过球磨、造粒的方法，以使得两种不同的非晶粉末之间能够均匀分散，并具有一致的球形度和流动性能，进而使得复合后的复合涂层粉末比较适宜于等离子喷涂。进一步地，采用该复合涂层粉末在金属基体表面进行等离子喷涂得到的非晶复合涂层能够具有较高的涂层非晶含量，孔隙率较低，能够明显提高材料的耐磨防腐性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为实施例1～2中锆基/铁基非晶复合涂层的XRD图谱；
图2为实施例1中的锆基/铁基非晶复合涂层的金相截面图；
图3为实施例2中的锆基/铁基非晶复合涂层的表面SEM图；
图4为实施例1～5以及对比例1～3中的锆基/铁基非晶复合涂层的摩擦系数图；
图5为实施例1～5以及对比例1～3中的锆基/铁基非晶复合涂层在0.5mol/L的H2SO4溶液的极化曲线图；
图6为实施例1～5以及对比例1～3中的锆基/铁基非晶复合涂层在质量分数为3.5％的NaCl溶液的极化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明提供的一种一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末及其制备方法和应用、非晶复合涂层及其制备方法进行具体说明。
本发明的一些实施方式提供了一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末，其由锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物球磨、造粒得到，锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的质量比为2～8：2～8。
发明人发现在现有的非晶粉末例如锆基非晶粉末、铁基非晶粉末等都不能满足较严苛的环境下的防腐耐磨要求，且普遍非晶含量都较低。因此，发明人经过大量的实践和研究提出了将铁基非晶粉末和锆基非晶粉末按照一定比较进行混合，并通过球磨、造粒的特殊工艺进行处理后，能够作为等离子喷涂的喷涂原料，而复合后的复合涂层粉末采用等离子喷涂后得到的涂层能够兼具较高的防腐性和耐磨性。其原因可能在于，两种非晶粉末的复配，综合两种非晶粉末的元素组成特点，提高了非晶含量，而两种非晶粉末之间的物理特性差异性较大，如果直接复合那么会导致粒径不均匀，流动性差等，因此，将混合后的非晶粉末再通过球磨、造粒的方法，使得两种不同的非晶粉末之间能够均匀分散，并具有一致的球形度和流动性能，进而使得复合后的复合涂层粉末比较适宜于等离子喷涂，能够有较好的喷涂效果。
进一步地，为了使得复合后的非晶粉末能够达到预期的防腐耐磨特性，发明人经过大量实践和研究发现复合后的非晶复合涂层粉末的化学成分若满足Cu 4.9～20wt％，Mo3.1～12.3wt％，Fe 13.8～55.5wt％，Ni 2.7～6.5wt％，Co 2.0～8.4wt％，Al 0.65～2.7wt％，Ta 0.2～0.9wt％，余量为Zr，则采用合适的等离子喷涂工艺喷涂后能够使得涂层具有较佳的防腐耐磨性能。
进一步地，为了使得复合后的非晶复合涂层粉能够达到上述化学组成的要求，一些实施方式中，锆基非晶粉末的化学成分为：Zr 66～67wt％，Cu 24～25wt％，Ni 7～8wt％，Ta 1～1.2wt％和Co 0～0.05wt％；铁基非晶粉末的化学成分为：Fe 69～70wt％，Mo15～16wt％，Co10～11wt％，Al 3～4wt％和Ni 1.5～1.7wt％。可选地，锆基非晶粉末的化学成分为：Zr 66.37wt％，Cu 24.86wt％，Ni 7.63wt％，Ta1.11 wt％和Co 0.03wt％；铁基非晶粉末的化学成分为：Fe 69.30wt％，Mo 15.36wt％，Co10.38 wt％，Al 3.34wt％和Ni1.62wt％。此外，在其他实施方式中，复合后的非晶复合涂层粉末中如果含有一些不可避免的少量杂质元素也应该等同于本申请的化学组成。
需要说明的是，本发明的实施方式不限于上述给出的非晶粉末成分，对于其它Fe基和Zr基非晶粉末，只要复合后的主成分组成无太大变化，在上述的化学组成范围内，在给定的喷涂工艺参数范围内进行调整，均能达到理想的效果，均在本发明的保护范围之内。
本发明的一些实施方式还提供了上述用于等离子喷涂的复合涂层粉末的制备方法，其包括：按照上述实施方式中的比例，将锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物进行球磨后造粒。
具体地，进行球磨是通过行星球磨机进行球磨，可选地，球磨时，行星球磨机的小转盘转速为400～450r/min，例如，400r/min，410r/min，420r/min，430r/min，440r/min，或450r/min，优选为420r/min。大转盘转速为170～200r/min，例如，170r/min，180r/min，190r/min，或200r/min，优选为180r/min。一些实施方式中，为了更加充分的达到球磨效果，将复合后的粉末从微米级球磨到亚微米级，球磨时间至少为4小时，较佳地为4～6小时，更佳地为5小时。
进一步地，为了达到较佳的球磨效果并且不对粉末的非晶结构造成破坏，进行球磨时添加的球磨介质为有机溶剂，有机溶剂优选为醇，更优选为无水乙醇。一些实施方式中，有机溶剂的用量至少为：有机溶剂在球磨罐内能够淹没锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物。
为了进一步提高非晶复合涂层粉末的颗粒性能和造粒效果，在造粒之前，将球磨后的混合粉末干燥后再次进行研磨。一些实施方式中，干燥温度为75～85℃，优选80℃；干燥时间至少为10小时，优选12小时。进一步优选研磨后的复合粉末的粒径小于200目。
进一步地，造粒是为了增加非晶复合涂层粉末的流动性，因此，造粒是在将聚乙烯醇溶液和研磨后的复合粉末混合研磨，然后干燥，干燥温度为75～85℃，优选80℃，干燥时间至少为10小时，优选12小时。
具体地，造粒的步骤为：在500毫升100℃的去离子水中缓慢加入25g聚乙烯醇试剂，待到全部溶解后自然冷却形成PVA溶液，在研钵中将前面已经过好筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
本发明的一些实施方式还提供了一种非晶复合涂层的制备方法，其包括：以上述实施方式中的复合涂层粉末作为喷涂材料，采用等离子喷涂的方法在金属基体表面进行喷涂，以形成非晶复合涂层。
具体地，为了使得喷涂效果更好，喷涂后的涂层的性能优异，对喷涂工艺进行了优化，使得其能够适合于上述实施方式的复合涂层粉末的喷涂，一些实施方式中，进行喷涂时，等离子喷涂的参数为：氩气流量为40～80L/min，氢气流量为6～20L/min，电流为200～700A，电压为40～80V，喷涂距离为80mm～150mm，送粉率为20～50g/min，喷枪移动速度为10～100mm/s。
进一步地，为了使得喷涂更加均匀，喷涂时，金属基体工装在旋转台上，旋转的转速为150～200r/min，优选180r/min，优选地，在喷涂时，还采用压缩空气冷却。
一些实施方式中，金属基体的材质为不锈钢、钛合金、碳钢、铝合金或铜合金。
一些实施方式中，等离子喷涂喷过程中喷枪的喷嘴类型为广口型或细口型，优选为广口型。较佳的实施方式中，喷涂的角度为88°～92°，优选90°。通过该喷涂角度能够达到较佳的喷涂效果。一些实施方式中，涂层的厚度在20～1000μm，在实际的应用过程中可根据金属基体的选择和应用环境、工艺参数的变化等调整涂层厚度。
一些实施方式中，为了增强涂层和金属基体之间的结合性能，还包括在喷涂前对金属基体的表面进行预处理，预处理包括喷砂。一些实施方式中，喷砂所用砂砾为粒径为20～100目的棕刚玉或石英砂。可选地，喷砂的压力为0.2～0.8Mpa，优选为0.5Mpa。优选地，喷砂时，喷枪的角度为30°～60°，优选45°。
进一步地，在喷砂之前，还对金属基体进行除油去污，除油去污为采用丙酮浸泡。较佳的实施方式中，除油去污后进行超声波清洗，优选地，清洗介质为无水乙醇，清洗后干燥。
本发明的一些实施方式还提供了一种非晶复合涂层，其由上述实施方式中的非晶复合涂层的制备方法制备得到，较佳地，非晶复合涂层的硬度为400～800HV0.2，孔隙率为2％～5％。
本发明的一些实施方式还提供了上述实施方式中的复合涂层粉末在等离子喷涂中的应用，较佳地，该应用为在金属基体表面喷涂复合涂层粉末。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
以下实施例中采用的锆基非晶粉末和铁基非晶粉末均购买自北京桑斯普瑞新材料有限公司，通过EDS检测得到锆基非晶粉末的化学成分为：Zr66.37wt％，Cu 24.86wt％，Ni 7.63wt％，Ta1.11 wt％和Co 0.03wt％；铁基非晶粉末的化学成分为：Fe 69.30wt％，Mo15.36wt％，Co10.38 wt％，Al 3.34wt％和Ni 1.62wt％。需要明确的是，在球磨造粒过程中，可能会有极少量元素反应和挥发，导致元素组成发生轻微的变化。
实施例1
第一步：准备喷涂所需要的金属基体：通过线切割仪切割需要的3种金属基体：碳素钢10片，大小为20mm*20mm*1mm。不锈钢6片，大小为20mm*10mm*1mm。钛合金6片，大小为10mm*10mm*1mm。
对切割好的金属基体进行机械除锈、丙酮清洗然后放在超声波清洗仪中以无水乙醇为介质进行清洗，每次清洗5min，清洗3次，然后放入60℃的干燥箱中备用；
第二步：制备等离子喷涂用锆基/铁基非晶复合涂层所使用的粉末：
用天平称取80g锆基非晶粉末、20g铁基非晶粉末倒入尼龙球磨罐中，加入适量的无水乙醇(待两种粉末充分混合后能够淹没它们)，将球磨罐放在行星球磨机上面进行球磨，调节具体参数：小转盘转速为420r/min，大转盘转速为180r/min，球磨时间为5h。
球磨结束之后，将混合料倒在托盘里分离出球和料，将料放在80℃的干燥箱中12h，然后将干燥好的复合粉末倒在研钵中研磨，具体粒径大小需要全部过200目的网筛。
配置PVA(聚乙烯醇溶液，具体的做法是在500毫升100℃的去离子水中缓慢加入25g聚乙烯醇试剂，待到全部溶解后自然冷却形成PVA溶液)质量分数为5％，在研钵中将前面已经过好筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
第三步：复合涂层的制备，通过等离子喷涂将制好的锆基/铁基复合粉末喂料给喷嘴进行涂层的制备。
拿出第一步待用的金属基体进行喷涂前的喷砂处理，在空压机里利用压缩空气将粒径为60目左右的棕刚玉附着在金属基体表面，喷枪的角度为45°。
将喷砂完成的金属基体工装在直径为160mm的旋转桶上面，用高压空气再次清洁基体表面以免受到污染。
调节各参数进行喷涂：喷涂氢气流量为8L/min，喷涂氩气流量为40L/min，电流为450A，电压为50V，喷涂距离为90mm，送粉率为30g/min，喷涂次数20次。
将喷涂好的金属片冷却至室温，然后在超声波清洗机中进行清洗3次，每次3min，清洗介质为无水乙醇，结束后放到50℃的干燥箱中干燥6h，以完成涂层的制备。
对涂层进行一系列的表征：包括对涂层进行XRD分析、SEM观察涂层表面形貌、涂层的硬度及粗糙度测定、涂层的摩擦磨损试验、涂层的耐腐蚀性检测、涂层的厚度及结合强度检测。测得涂层的平均厚度为115.0μm，涂层的平均孔隙率为3.32％。
实施例2
第一步：准备喷涂所需要的金属基体通过线切割仪切割需要的3种金属基体：碳素钢10片，大小为20mm*20mm*1mm。不锈钢6片，大小为20mm*10mm*1mm。钛合金6片，大小为10mm*10mm*1mm。
对切割好的金属基体进行机械除锈、丙酮清洗然后放在超声波清洗仪中以无水乙醇为介质进行清洗，每次清洗5min，清洗3次，然后放入60摄氏度的干燥箱中备用。
第二步：制备等离子喷涂锆基/铁基非晶复合涂层所使用的粉末：
用天平称取80g锆基非晶粉末、20g铁基非晶粉末倒入尼龙球磨罐中，加入适量的无水乙醇(待两种粉末充分混合后能够淹没它们)，将球磨罐放在行星球磨机上面进行球磨，调节具体参数：小转盘转速为420r/min，大转盘转速为180r/min，球磨时间为5h。
球磨结束之后，将混合料倒在托盘里分离出球和料，将料放在80℃的干燥箱中12h，然后将干燥好的复合粉末倒在研钵中研磨，具体粒径大小需要全部过200目的网筛。
配置PVA(聚乙烯醇溶液)质量分数为5％，在研钵中将前面已经过好筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
第三步：复合涂层的制备，通过等离子喷涂将制好的锆基/铁基复合粉末喂料给喷嘴进行涂层的制备。
拿出第一步待用的金属基体进行喷涂前的喷砂处理，在空压机里利用压缩空气将粒径为60目左右的棕刚玉附着在金属基体表面，喷枪的角度为45°。
将喷砂完成的金属基体工装在直径为160mm的旋转桶上面，用高压空气再次清洁基体表面以免受到污染。
调节各参数进行喷涂：喷涂氢气流量为10L/min，喷涂氩气流量为80L/min，电流为550A，电压为60V，喷涂距离为120mm，送粉率为30g/min，喷涂次数20次。
将喷涂好的金属片冷却至室温，然后在超声波清洗机中进行清洗3次，每次3min，清洗介质为无水乙醇，结束后放到50℃的干燥箱中干燥6h，以完成涂层的制备。
对涂层进行一系列的表征：包括对涂层进行XRD分析、SEM观察涂层表面形貌、涂层的硬度及粗糙度测定、涂层的摩擦磨损试验、涂层的耐腐蚀性检测、涂层的厚度及结合强度检测。测得涂层的平均厚度为114.4μm，涂层的平均孔隙率为3.73％。
实施例3
第一步：准备喷涂所需要的金属基体通过线切割仪切割需要的3种金属基体：碳素钢10片，大小为20mm*20mm*1mm。不锈钢6片，大小为20mm*10mm*1mm。钛合金6片，大小为10mm*10mm*1mm。
对切割好的金属基体进行机械除锈、丙酮清洗然后放在超声波清洗仪中以无水乙醇为介质进行清洗，每次清洗5min，清洗3次，然后放入60℃的干燥箱中备用。
第二步：制备等离子喷涂锆基/铁基非晶复合涂层所使用的粉末：
用天平称取20g锆基非晶粉末、80g铁基非晶粉末倒入尼龙球磨罐中，加入适量的无水乙醇(待两种粉末充分混合后能够淹没它们)，将球磨罐放在行星球磨机上面进行球磨，调节具体参数：小转盘转速为420r/min，大转盘转速为180r/min，球磨时间为5h。
球磨结束之后，将混合料倒在托盘里分离出球和料，将料放在80℃的干燥箱中12h，然后将干燥好的复合粉末倒在研钵中研磨，具体粒径大小需要全部过200目的网筛。
配置PVA(聚乙烯醇溶液)质量分数为5％，在研钵中将前面已经过好筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
第三步：复合涂层的制备，通过等离子喷涂将制好的锆基/铁基复合粉末喂料给喷嘴进行涂层的制备。
拿出第一步待用的金属基体进行喷涂前的喷砂处理，在空压机里利用压缩空气将粒径为60目左右的棕刚玉附着在金属基体表面，喷枪的角度为45°。
将喷砂完成的金属基体工装在直径为160mm的旋转桶上面，用高压空气再次清洁基体表面以免受到污染。
调节各参数进行喷涂：喷涂氢气流量为8L/min，喷涂氩气流量为40L/min，电流为450A，电压为50V，喷涂距离为90mm，送粉率为30g/min，喷涂次数20次。
将喷涂好的金属片冷却至室温，然后在超声波清洗机中进行清洗3次，每次3min，清洗介质为无水乙醇，结束后放到50℃的干燥箱中干燥6h，以完成涂层的制备。
之后对涂层进行一系列的表征：包括对涂层进行XRD分析、SEM观察涂层表面形貌、涂层的硬度及粗糙度测定、涂层的摩擦磨损试验、涂层的耐腐蚀性检测、涂层的厚度及结合强度检测。测得涂层的平均厚度为156.5μm，涂层的平均孔隙率为3.65％。
实施例4
第一步：准备喷涂所需要的金属基体通过线切割仪切割需要的3种金属基体：碳素钢10片，大小为20mm*20mm*1mm。不锈钢6片，大小为20mm*10mm*1mm。钛合金6片，大小为10mm*10mm*1mm。
对切割好的金属基体进行机械除锈、丙酮清洗然后放在超声波清洗仪中以无水乙醇为介质进行清洗，每次清洗5min，清洗3次，然后放入60摄氏度的干燥箱中备用
第二步：制备等离子喷涂锆基/铁基非晶复合涂层所使用的粉末：
用天平称取20g锆基非晶粉末、80g铁基非晶粉末倒入尼龙球磨罐中，加入适量的无水乙醇(待两种粉末充分混合后能够淹没它们)，将球磨罐放在行星球磨机上面进行球磨，调节具体参数：小转盘转速为420r/min，大转盘转速为180r/min，球磨时间为5h。
球磨结束之后，将混合料倒在托盘里分离出球和料，将料放在80℃的干燥箱中12h，然后将干燥好的复合粉末倒在研钵中研磨，具体粒径大小需要全部过200目的网筛。
配置PVA(聚乙烯醇溶液)质量分数为5％，在研钵中将前面已经过好筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
第三步：复合涂层的制备，通过等离子喷涂将制好的锆基/铁基复合粉末喂料给喷嘴进行涂层的制备。
拿出第一步待用的金属基体进行喷涂前的喷砂处理，在空压机里利用压缩空气将粒径为60目左右的棕刚玉附着在金属基体表面，喷枪的角度为45°。
将喷砂完成的金属基体工装在直径为160mm的旋转桶上面，用高压空气再次清洁基体表面以免受到污染。
调节各参数进行喷涂：喷涂氢气流量为12L/min，喷涂氩气流量为80L/min，电流为550A，电压为60V，喷涂距离为120mm，送粉率为30g/min，喷涂次数20次。
将喷涂好的金属片冷却至室温，然后在超声波清洗机中进行清洗3次，每次3min，清洗介质为无水乙醇，结束后放到50℃的干燥箱中干燥6h，以完成涂层的制备。
对涂层进行一系列的表征：包括对涂层进行XRD分析、SEM观察涂层表面形貌、涂层的硬度及粗糙度测定、涂层的摩擦磨损试验、涂层的耐腐蚀性检测、涂层的厚度及结合强度检测。测得涂层的平均厚度为107.1μm，涂层的平均孔隙率为2.97％。
实施例5
实施例5与实施例1基本相同，不同之处在于：
仅调整第二步中锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合比例，用天平称取50g锆基非晶粉末、50g铁基非晶粉末。
测得涂层的平均厚度为106.8μm，涂层的平均孔隙率为3.47％。
对比例1
对比例1与实施例1不同之处在于喷涂参数的改变，喷涂电流增大为800A。
第一步：准备喷涂所需要的金属基体通过线切割仪切割需要的3种金属基体：碳素钢10片，大小为20mm*20mm*1mm。不锈钢6片，大小为20mm*10mm*1mm。钛合金6片，大小为10mm*10mm*1mm。
对切割好的金属基体进行机械除锈、丙酮清洗然后放在超声波清洗仪中以无水乙醇为介质进行清洗，每次清洗5min，清洗3次，然后放入60℃的干燥箱中备用。
第二步：制备等离子喷涂锆基铁基非晶复合涂层所使用的粉末：
用天平称取80g锆基非晶粉末、20g铁基非晶粉末倒入尼龙球磨罐中，加入适量的无水乙醇(待两种粉末充分混合后能够淹没它们)，将球磨罐放在行星球磨机上面进行球磨，调节具体参数：小转盘转速为420r/min，大转盘转速为180r/min，球磨时间为5h。
球磨结束之后，将混合料倒在托盘里分离出球和料，将料放在80℃的干燥箱中12h，然后将干燥好的复合粉末倒在研钵中研磨，粒径大小过200目的网筛。
配置PVA(聚乙烯醇溶液)质量分数为5％，在研钵中将前面已经过筛的粉末与PVA充分接触研磨，然后放到80℃的干燥箱中12h，拿出后冷却至室温，最后在研钵中继续研磨成粉末，过200目网筛。
第三步：复合涂层的制备，通过等离子喷涂将制好的锆基铁基复合粉末喂料给喷嘴进行涂层的制备。
取出第一步待用的金属基体进行喷砂处理，在喷砂机里面将粒径为60目左右的棕刚玉附着在金属基体表面，喷枪的角度为45°。将喷砂完成的金属基体工装在直径为160mm的旋转桶上面，用高压空气再次清洁基体表面以免受到污染。
调节各参数进行喷涂：喷涂氢气流量为8L/min，喷涂氩气流量为40L/min，电流为800A，电压为50V，喷涂距离为90mm，送粉率为30g/min，喷涂次数20次。
将喷涂好的金属片冷却至室温，然后在超声波清洗机中清洗3次，每次3min，清洗介质为无水乙醇，结束后放到50℃的干燥箱中干燥6h，以完成涂层的制备。
采用与实施例1相同的表征方法，测试结果如表1所示：平均摩擦系数为0.986，磨损量为1.385g，表明该对比例耐磨损性能较实施例要差。硬度为429.0(HV0.2)，在0.5mol/L的H2SO4中腐蚀速率(mm/year)为0.704；在3.5％NaCl腐蚀速率(mm/year)为0.602，说明了实施例1防腐性能要优于该对比例1。测得涂层的平均厚度为131.8μm，涂层的平均孔隙率为6.97％。
对比例2
对比例2与实施例1不同之处在于：
仅将第二步铁基非晶粉末替换为普通喷涂铁粉(清河县康硕焊接材料有限公司)其成分为：0.91wt％Ni，17.43wt％Cr，0.07wt％Mo，0.28wt％Si，15.51wt％C，余量为Fe。
采用与实施例1相同的表征方法，测试结果如表1所示：平均摩擦系数为0.940，磨损量为1.321g，表明该对比例耐磨损性能较实施例要差。硬度为396.9(HV0.2)，在0.5mol/L的H2SO4中腐蚀速率(mm/year)为0.729；在3.5％NaCl腐蚀速率(mm/year)为0.614，说明了实施例防腐性能要优于该对比例。测得涂层的平均厚度为150.4μm，涂层的平均孔隙率为5.81％。
对比例3
对比例3与实施例1不同之处在于：
仅将第二步锆基非晶粉末替换为普通喷涂铝粉(南宫市鑫盾合金焊材喷涂有限公司)其成分为：0.2～0.4wt％C，2.5～3.2wt％Si，0.5～2.5wt％B，14.0～16.0wt％Cr，8.0～10.0wt％Ni，余量为Al。
采用与实施例1相同的表征方法，测试结果如表1所示：平均摩擦系数为0.962，磨损量为1.352g，表明该对比例耐磨损性能较实施例要差。硬度为343.6(HV0.2)，在0.5mol/L的H2SO4中腐蚀速率(mm/year)为0.738；在3.5％NaCl腐蚀速率(mm/year)为0.964，说明了实施例防腐性能要优于该对比例。测得涂层的平均厚度为97.8μm，涂层的平均孔隙率为6.47％。
实施例1～5以及对比例1～3的性能指标如表1所示。
Figure BDA0002448915880000171
Figure BDA0002448915880000181
需要说明的是实施例和对比例中检测的是表面涂层的结果，跟基体无关。
对实施例1和实施例2的涂层进行XRD分析，结果如图1所示，根据谢乐公式得出非晶含量占有很大的比例呈现出典型的非晶馒头峰。
对实施例1的金相截面进行微观检测，其金相截面图如图2所示。对实施例2的锆基/铁基非晶复合涂层的表面进行扫描电镜观察，其获得的SEM图如图3所示，其中，对应的基体是碳素钢。
对实施例1～5以及对比例1～3所制备的锆基/铁基非晶复合涂层进行摩擦磨损试验，测量之前对涂层片进行称量记数据为起始质量M1，磨损实验之后同样进行称重记结束质量M2。同时设置参数对涂层的摩擦系数进行测量，得出数据并对数据进行绘图分析，得出图4。
对实施例1～5以及对比例1～3所制备的锆基/铁基非晶复合涂层在0.5mol/L的H2SO4溶液和质量分数为3.5％的NaCl溶液进行耐腐蚀试验，所得结果分别如图5和图6所示，从图中可以看出复合涂层在酸性溶液和盐溶液中的耐腐蚀性都优于基体。
综上所述，本发明实施方式所用的锆基、铁基非晶粉末易于获取，通过球磨造粒后的粉末粒径球形度高、流动性好比较适宜于等离子喷涂；并且通过复合涂层粉末所制备的涂层非晶含量较高，孔隙率较低具备良好的力学性能，同时在酸性溶液和盐溶液中具有优异的耐腐蚀性能，且工艺流程简单，易于大规模生产成本相对也较低。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (25)

1.一种用于等离子喷涂的复合涂层粉末，其特征在于，其由锆基非晶粉末和铁基非晶粉末的混合物球磨、造粒得到，所述锆基非晶粉末和所述铁基非晶粉末的质量比为2~8：2~8；
所述锆基非晶粉末的化学成分为：Zr 66~67 wt %，Cu 24~25 wt %，Ni 7~8 wt %，Ta 1~1.2 wt %和Co 0~0.05 wt %；所述铁基非晶粉末的化学成分为：Fe 69~70 wt %，Mo 15~16wt %，Co10~11 wt %，Al 3~4 wt %和Ni 1.5~1.7 wt %。
2.根据权利要求1所述的用于等离子喷涂的复合涂层粉末，其特征在于，所述复合涂层粉末的化学成分为：Cu 4.9~20 wt %，Mo 3.1~12.3 wt %，Fe 13.8~55.5 wt %，Ni 2.7~6.5wt %，Co 2.0~8.4 wt %，Al 0.65~2.7 wt %，Ta 0.2~0.9 wt %，余量为Zr。
3.根据权利要求1或2所述的用于等离子喷涂的复合涂层粉末，其特征在于，所述锆基非晶粉末的化学成分为：Zr 66.37 wt %，Cu 24.86 wt %，Ni 7.63 wt %，Ta1.11 wt %和Co0.03 wt %；所述铁基非晶粉末的化学成分为：Fe 69.30 wt %，Mo 15.36 wt %，Co10.38 wt%，Al 3.34 wt %和Ni 1.62 wt %。
4.一种权利要求1~3任一项所述的用于等离子喷涂的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，其包括：将所述锆基非晶粉末和所述铁基非晶粉末的混合物进行球磨后造粒。
5.根据权利要求4所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，进行球磨是通过行星球磨机进行球磨。
6.根据权利要求5所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，所述行星球磨机的小转盘转速为400~450 r/min，大转盘转速为170~200 r/min，球磨时间至少为4小时。
7.根据权利要求6所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，所述行星球磨机的小转盘转速为420 r/min，大转盘转速为180 r/min，球磨时间为5小时。
8.根据权利要求5所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，进行球磨时添加的球磨介质为有机溶剂，所述有机溶剂为醇，所述有机溶剂的用量至少为：所述有机溶剂在球磨罐内能够淹没所述锆基非晶粉末和所述铁基非晶粉末的混合物。
9.根据权利要求8所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇。
10.根据权利要求5所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，在造粒之前，将球磨后的混合粉末干燥后再次进行研磨，干燥温度为75~85℃，干燥时间至少为10小时，研磨后的复合粉末的粒径小于200目。
11.根据权利要求10所述的复合涂层粉末的制备方法，其特征在于，造粒是在将聚乙烯醇溶液和所述研磨后的复合粉末混合研磨，然后干燥，干燥温度为80℃，干燥时间为12小时。
12.一种非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，其包括：
以权利要求1~3任一项所述的复合涂层粉末或权利要求4~11任一项所述的制备方法制备得到的复合涂层粉末作为喷涂材料，采用等离子喷涂的方法在金属基体表面进行喷涂，以形成所述非晶复合涂层。
13.根据权利要求12所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，进行喷涂时，等离子喷涂的参数为：氩气流量为40~80L/min，氢气流量为6~20L/min，电流为200~700A，电压为40~80V，喷涂距离为80mm~150mm，送粉率为20~50g/min，喷枪移动速度为10~100mm/s。
14.根据权利要求13所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，喷涂时，所述金属基体工装在旋转台上，旋转的转速为150~200r/min，在喷涂时，还采用压缩空气冷却。
15.根据权利要求14所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述金属基体工装在旋转台上的转速为180 r/min。
16.根据权利要求13所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，等离子喷涂喷过程中喷枪的喷嘴类型为广口型或细口型，喷涂的角度为88°~92°。
17.根据权利要求16所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，喷枪喷涂的角度为90°。
18.根据权利要求13所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，涂层的厚度在20~1000 μm。
19.根据权利要求12~18任一项所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，还包括在喷涂前对所述金属基体的表面进行预处理，所述预处理包括喷砂。
20.根据权利要求19所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，喷砂所用砂砾为粒径为20~100目的棕刚玉或石英砂，喷砂的压力为0.2~0.8Mpa，喷砂时，喷枪的角度为30°~60°；
在喷砂之前，对所述金属基体进行除油去污，所述除油去污为采用丙酮浸泡，除油去污后进行超声波清洗，清洗介质为无水乙醇，清洗后干燥；
所述金属基体的材质为不锈钢、钛合金、碳钢、铝合金或铜合金。
21.根据权利要求20所述的非晶复合涂层的制备方法，其特征在于，喷砂的压力为0.5Mpa，喷枪的角度为45°。
22.一种非晶复合涂层，其特征在于，其由权利要求12~21任一项所述的非晶复合涂层的制备方法制备得到。
23.根据权利要求22所述的非晶复合涂层，其特征在于，所述非晶复合涂层的硬度为400~800HV0.2，孔隙率为2%~5%。
24.权利要求1~3任一项所述的复合涂层粉末或权利要求4~11任一项所述的制备方法制备得到的复合涂层粉末在等离子喷涂中的应用。
25.根据权利要求24所述的应用，其特征在于，所述应用为在金属基体表面喷涂复合涂层粉末。
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