CN115354245A - 一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层及制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，包括如下组分：Cr含量为22～28wt.％，Mo含量为1～3wt.％，B含量为0.5～2.5wt.％，C含量为1.5～3.0wt.％，Si含量为3～5wt.％，Ni含量为2.5～4.5wt.％，W含量为2～3wt.％，Y含量为0.02～0.05wt.％，Nb含量为0.01～0.04wt.％，余量为Fe。喷涂步骤：将原料按配比放入中频感应炉中冶炼熔化，将金属液导入雾化区破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，将雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；采用冷喷涂工艺进行喷涂，本涂层可用于武器装备腐蚀和磨损部件的修复与防护。

Description

一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层及制备方法
技术领域
本发明涉及一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层及制备方法。
背景技术
腐蚀和磨损问题遍及国民经济和国防建设的各个领域，大量的构件、装备和设施因腐蚀和磨损而失效，给国家带来巨大的经济损失。目前腐蚀和磨损问题已经涉及到日常生活、工业、农业、国防工业等各个领域，腐蚀和腐蚀导致材料的组织结构、化学成分发生改变以及应用性能的下降，还可能导致设备部件提前报修或者造成事故的发生。腐蚀和磨损不光带来了巨大的经济损失，而且导致全球大量能源和资源的浪费。腐蚀和磨损除了带来可见的经济损失外，还存在许多不可见的事故损失，造成的教训是非常惨痛的。设备和结构部件因局部腐蚀和磨损造成的断裂、穿孔、功能失效而引发的安全事故和环境污染是难以预防的，造成的危害是巨大的。
腐蚀和磨损一般发生在材料的表面或从材料表面以下开始的，因此，提高装备耐腐蚀和耐磨性能最有效的方法就是对装备部件表面进行强化防护处理，在其表面制备出一定厚度具有高耐蚀耐磨性能的防护涂层。为了将腐蚀和耐磨带来的损失降至最低，根据腐蚀和磨损机理，目前常用的防护涂层法主要包括金属基防护涂层和非金属防护涂层两种。非金属防护涂层材料中目前常用的是有机防护涂层，但是使用过程中发现有机防护涂层存在易老化、腐蚀磨损性能差、涂装施工污染环境等问题。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，可用于武器装备腐蚀和磨损部件的修复与防护。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供上述一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，其步骤简单，施工方便，涂层均匀、连续，无漏涂、气泡、剥落、裂纹、麻点、夹杂物等缺陷，无明显的局部过厚现象。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供了一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，包括如下组分：Cr含量为22～28wt.％，Mo含量为1～3wt.％，B 含量为0.5～2.5wt.％，C含量为1.5～3.0wt.％，Si含量为3～5wt.％，Ni含量为 2.5～4.5wt.％，W含量为2～3wt.％，Y含量为0.02～0.05wt.％，Nb含量为 0.01～0.04wt.％，余量为Fe。
本发明的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层中加入Cr、C和W，主 要目的是Cr、C和W元素的加入可以在粉末和涂层制备的过程中反应生成碳 化铬和碳化物增强相，碳化铬和碳化物增强相具有较高的硬度，弥散分布于 铁基非晶基材中可以起到耐磨增强的作用，从而提高涂层的耐磨性能。Cr元 素还能增强材料的耐蚀性(因能在合金表面形成富Cr钝化保护膜)。但是如 果涂层中生成的增强相含量过高会导致涂层塑性下降，应力增加，甚至裂纹 等严重缺陷。所以，本发明中Cr含量为22～28wt.％，C含量为1.5～3.0wt.％， W含量为2～3wt.％。
本发明的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层中加入Ni和Nb，主要目的是Ni元素和Nb元素可以与Cr元素相互作用进一步提高涂层的耐蚀性能。Ni元素的加入还可以提高涂层的塑性防止涂层开裂，Ni含量的设计为 2.5～4.5wt.％。Nb主要是通过形成碳化物在奥氏体中的形变诱导析出来抑制奥氏体再结晶，进而达到细化铁素体晶粒的目的。Nb的碳化物在奥氏体中的形变诱导析出以及在铁素体中的脱溶析出都可以起到一定的沉淀强化作用。通过Nb与C、N原子结合，形成碳氮化物析出相来抑制再结晶及形成沉淀强化来提高强度的机制已经得到广泛认可。但当Nb含量大于0.04％时，强化效果就开始降低，Nb含量设计为0.01～0.04wt.％。
本发明的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层中加入Si和B，主要目的是根据已有非晶体系设计原则，Si和B元素的添加可以提高Fe基涂层成分的混合焓，从而提高涂层的非晶形成能力。在成分设计中主要是根据元素之间的混合焓来确定某种组元的含量区间。某种元素的含量超出该区间，过高或者过低都会导致非晶形成能力的急剧降低。本发明中Si含量为3～5wt.％， B含量为0.5～2.5wt.％为宜。
本发明的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层中加入稀土元素Y，主要目的是稀土元素Y属于大原子,少量的加入可导致组元数的增加和各组元间强烈的结合力,添加Y后能提高合金的非晶形成能力。Y的添加可以净化合金熔体,改善合金中原子之间的错配度,增强合金过冷熔体的稳定性,抑制晶体相的析出,进而提高了合金的非晶形成能力。鉴于此，本发明中Y含量为0.02～ 0.05wt.％。
本涂层耐腐蚀、耐磨损效果好，可用于武器装备腐蚀和磨损部件的修复与防护。
为解决上述第二个技术问题，本发明提供了一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，包括以下步骤：
(1)将原材料各组分分别按比例混合放入中频感应炉中进行冶炼熔化，得到金属液，熔体温度为1650℃，采用氮气作为合金熔炼过程中的保护性气氛；
(2)将金属液导入雾化区，由高压雾化水破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，然后将所得雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；
(3)将合金粉末分别进行筛分，所需的粉末粒度均为50～125μm；
(4)采用冷喷涂工艺进行喷涂，具体参数为：工作气体和载粉气体均为N2气体，喷距270～330mm,枪管长度4寸，Y轴速度25～40m/min，煤油量 5～6.8L/h，氧气量1500～1950m3/h，送粉率36～70g/min，燃烧室压力5.9～7.8 MPa，氧气压力9.9～12.6MPa，燃油压力6.6～7.9MPa。
本方法采用水雾化工艺制造涂层喷涂粉末，采用冷喷涂工艺制备涂层。步骤简单，使用方便，喷涂后的涂层摩擦系数≤0.9，耐长期盐雾腐蚀超过1000 h，封孔后涂层耐长期盐雾腐蚀超过3000h，涂层非晶度≥80％，结合强度≥ 40MPa，孔隙率≤1％，涂层兼具耐磨和耐蚀双重功能，磨损率≤1×10-5 mm3/N·m，涂层厚度0.1～1mm，涂层硬度≥600HV0.2，涂层外观质量：涂层应均匀、连续，无漏涂、气泡、剥落、裂纹、麻点、夹杂物等缺陷，无明显的局部过厚现象。高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层可用于武器装备腐蚀和磨损部件的修复与防护。
附图说明
图1是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的表面照片。
图2是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的XRD谱图。
图3是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的截面形貌图。
图4是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的摩擦系数-时间曲线。
图5是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的磨痕形貌图。
图6是实施例三的高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的磨痕三维形貌图。
具体实施方式
实施例一：
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，包括如下组分：Cr含量为25 wt.％，Mo含量为1wt.％，B含量为2.5wt.％，C含量为1.5wt.％，Si含量为 4wt.％，Ni含量为2.5wt.％，W含量为3wt.％，Y含量为0.03wt.％，Nb含量为0.04wt.％，余量为Fe。
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，包括以下步骤：
(1)将原材料各组分分别按比例混合放入中频感应炉中进行冶炼熔化，得到金属液，熔体温度为1650℃，采用氮气作为合金熔炼过程中的保护性气氛；
(2)将金属液导入雾化区，由高压雾化水破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，然后将所得雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；
(3)将合金粉末分别进行筛分，所需的粉末粒度均为50～125μm；
(4)采用冷喷涂工艺进行喷涂，具体参数为：工作气体和载粉气体均为 N2气体，喷距330mm,枪管长度4寸，Y轴速度30m/min，煤油量6.8L/h，氧气量1950m3/h，送粉率70g/min，燃烧室压力6.8MPa，氧气压力12.6MPa，燃油压力7.9MPa。
本实施例制造的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，摩擦系数0.8，耐长期盐雾腐蚀1200h，封孔后涂层耐长期盐雾腐蚀超过3300h，涂层非晶度85％，结合强度60MPa，孔隙率0.9％，涂层兼具耐磨和耐蚀双重功能，磨损率0.6×10-5mm3/N·m，涂层厚度0.1mm，涂层硬度620HV0.2，涂层外观质量：涂层应均匀、连续，无漏涂、气泡、剥落、裂纹、麻点、夹杂物等缺陷，无明显的局部过厚现象。
实施例二：
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，包括如下组分：Cr含量为28 wt.％，Mo含量为3wt.％，B含量为1.5wt.％，C含量为2.5wt.％，Si含量为 5wt.％，Ni含量为4.5wt.％，W含量为2wt.％，Y含量为0.05wt.％，Nb含量为0.02wt.％，余量为Fe。
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，包括以下步骤：
(1)将原材料各组分分别按比例混合放入中频感应炉中进行冶炼熔化，得到金属液，熔体温度为1650℃，采用氮气作为合金熔炼过程中的保护性气氛；
(2)将金属液导入雾化区，由高压雾化水破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，然后将所得雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；
(3)将合金粉末分别进行筛分，所需的粉末粒度均为50～125μm；
(4)采用冷喷涂工艺进行喷涂，具体参数为：工作气体和载粉气体均为 N2气体，喷距300mm,枪管长度4寸，Y轴速度25m/min，煤油量5L/h，氧气量1750m3/h，送粉率50g/min，燃烧室压力7.8MPa，氧气压力9.9MPa，燃油压力7.5MPa。
本实施例制造的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，摩擦系数0.7，耐长期盐雾腐蚀1100h，封孔后涂层耐长期盐雾腐蚀超过3200h，涂层非晶度87％，结合强度65MPa，孔隙率0.8％，涂层兼具耐磨和耐蚀双重功能，磨损率0.7×10-5mm3/N·m，涂层厚度1.0mm，涂层硬度650HV0.2，涂层外观质量：涂层应均匀、连续，无漏涂、气泡、剥落、裂纹、麻点、夹杂物等缺陷，无明显的局部过厚现象。
实施例三：
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，包括如下组分：Cr含量为22 wt.％，Mo含量为2wt.％，B含量为2.0wt.％，C含量为3.0wt.％，Si含量为 3wt.％，Ni含量为3.5wt.％，W含量为2.5wt.％，Y含量为0.02wt.％，Nb含量为0.03wt.％，余量为Fe。
一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，包括以下步骤：
(1)将原材料各组分分别按比例混合放入中频感应炉中进行冶炼熔化，得到金属液，熔体温度为1650℃，采用氮气作为合金熔炼过程中的保护性气氛；
(2)将金属液导入雾化区，由高压雾化水破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，然后将所得雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；
(3)将合金粉末分别进行筛分，所需的粉末粒度均为50～125μm；
(4)采用冷喷涂工艺进行喷涂，具体参数为：工作气体和载粉气体均为 N2气体，喷距270mm,枪管长度4寸，Y轴速度40m/min，煤油量6.2L/h，氧气量1500m3/h，送粉率36g/min，燃烧室压力5.9MPa，氧气压力10.5MPa，燃油压力6.6MPa。
本实施例制造的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，摩擦系数0.55，耐长期盐雾腐蚀1300h，封孔后涂层耐长期盐雾腐蚀超过3400h，涂层非晶度90％，结合强度68MPa，孔隙率0.39％，涂层兼具耐磨和耐蚀双重功能，磨损率0.57×10-5mm3/N·m，涂层厚度0.5mm，涂层硬度670HV0.2，涂层外观质量：涂层应均匀、连续，无漏涂、气泡、剥落、裂纹、麻点、夹杂物等缺陷，无明显的局部过厚现象。
以实施例三所指得的涂层为例(见图1)，对其性能进行简单的测试。
1、XDR图谱分析结果参见图2。
2、孔隙率检测结果见表1。
表1高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层样品的孔隙率
Figure BDA0003688915650000071
Figure BDA0003688915650000081
3、截面形貌的显微观察，见图3。
4、显微硬度结果见表2、涂层结合强度测试结果见表3。
表2高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的显微硬度
Figure BDA0003688915650000082
表3高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的结合强度
Figure BDA0003688915650000083
5、涂层的摩擦系数变化测试，见图4。
6、涂层的摩擦后的磨痕形貌见图5，三维形貌见图6。

Claims (2)

1.一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层，其特征在于，包括如下组分：Cr含量为22～28wt.％，Mo含量为1～3wt.％，B含量为0.5～2.5wt.％，C含量为1.5～3.0wt.％，Si含量为3～5wt.％，Ni含量为2.5～4.5wt.％，W含量为2～3wt.％，Y含量为0.02～0.05wt.％，Nb含量为0.01～0.04wt.％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种高耐蚀耐磨铁基非晶损伤修复涂层的喷涂方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将原材料各组分分别按比例混合放入中频感应炉中进行冶炼熔化，得到金属液，熔体温度为1650℃，采用氮气作为合金熔炼过程中的保护性气氛；
(2)将金属液导入雾化区，由高压雾化水破碎成金属液滴，并迅速冷却凝固得到雾化粉末，然后将所得雾化粉末再经水粉分离，粉末在真空干燥机中进行干燥处理得到合金粉末；
(3)将合金粉末分别进行筛分，所需的粉末粒度均为50～125μm；
(4)采用冷喷涂工艺进行喷涂，具体参数为：工作气体和载粉气体均为N2气体，喷距270～330mm,枪管长度4寸，Y轴速度25～40m/min，煤油量5～6.8L/h，氧气量1500～1950m3/h，送粉率36～70g/min，燃烧室压力5.9～7.8MPa，氧气压力9.9～12.6MPa，燃油压力6.6～7.9MPa。
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