專利名稱：一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于Fe-Al金屬間化合物的制備領(lǐng)域，具體涉及一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
Fe-Al金屬間化合物具有抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的優(yōu)異性能。同時，具有低成本和低密度的優(yōu)勢。但是，由于其獨特的長程有序結(jié)構(gòu)使位錯運動和原子擴散困難，加之受環(huán)境氫脆的影響，導(dǎo)致其室溫塑性差，在使用中易發(fā)生脆斷等現(xiàn)象，故局限了其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。已有研究表明，Cr是改善Fe-Al金屬間化合物韌性最有效的元素。原因是:Cr不僅可提高材料的強度和硬度，同時Cr也可改善材料的塑性和韌性，因此Cr可作為增加Fe-Al金屬間化合物韌性的一種重要合金元素。將合金元素Cr加至Fe-Al合金中，并涂覆與碳鋼材料表面,制成Fe-Al-Cr合金涂層。其優(yōu)勢在于成本低廉、節(jié)約戰(zhàn)略金屬和能源，同時保持了其優(yōu)異的抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的性能。該涂層可應(yīng)用于多種在苛刻服役條件下運行的重大裝備和設(shè)備中。例如:航空發(fā)動機和工業(yè)燃?xì)廨啓C中的導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤，以及在石油化工等行業(yè)中廣泛使用的鍋爐管道、化學(xué)反應(yīng)器和壓力容器等制品。目前，已有徐維普等人采用高速電弧噴涂和超音速電弧噴涂技術(shù)制備出該種Fe-Al-Cr涂層。使用這兩種方法制備所得的Fe-Al-Cr涂層在高溫下形成的氧化膜對涂層具有較好的保護作用，即具有優(yōu)異的抗高溫氧化和耐磨損性能，能夠解決燃煤鍋爐管道的高溫燃?xì)?飛灰高溫沖蝕磨損問題。但是，使用該種技術(shù)制備所得涂層的缺陷在于:①在噴涂過程中，粉末與氧接觸，使涂層中有Cr2O3和Al2O3等大顆粒存在，導(dǎo)致材料的韌性較差；同時也造成涂層中 具有孔隙，必須進行密封和機械精修以獲得光滑的表面光潔度；Φ使用該技術(shù)制備涂層過程中會產(chǎn)生大量的粉塵、氣味、噪音以及強烈的光輻射，對操作工人造成嚴(yán)重的健康和安全問題。因此，如何制備出性能優(yōu)異的Fe-Al-Cr涂層，同時減少在操作過程中對環(huán)境的影響成為亟待解決的關(guān)鍵問題?！半p輝等離子表面冶金技術(shù)”由于可快速制備與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合的耐磨、防腐、抗高溫氧化等功能性涂層，近年來獲得廣泛的關(guān)注和研究。圖1為雙輝等離子表面冶金裝置的原理圖。在該設(shè)備中有陽極和陰極，同時在兩極之間放置一第三極，即源極，作為合金元素的供給極。在源極和陽極之間以及工件極與陽極之間各設(shè)一個可控直流電源。當(dāng)真空室抽真空后，充入一定的氬氣，接通電源，便會在源極與陽極之間、工件與陽極之間產(chǎn)生兩組輝光放電現(xiàn)象。利用輝光放電所產(chǎn)生的氬離子轟擊源極，使欲滲合金元素由源極表面被濺射出來，通過空間運輸?shù)竭_(dá)工件表面并被工件表面吸附。與此同時，氬離子轟擊工件使其加熱至高溫，工件表面吸附的合金元素在高溫下向內(nèi)部擴散而形成具有特殊物理化學(xué)性能的合金層
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用雙輝等離子表面冶金技術(shù)，提供一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法
一種高韌性Fe-Al-Cr涂層，其特征在于涂層厚度為2(Γ30 μ m,涂層與基體間為冶金結(jié)合，并具有高韌性。其中涂層表面中Fe含量為6(T65wt%，沿表面深度方向梯度上升至9(T95wt% ;涂層表面中Al中含量為(T5wt%，沿表面深度方向含量梯度上升至2(T30wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至(T5wt% ;涂層表面中Cr含量為3(T40wt%，沿表面深度方向梯度下降至O 10wt%?！N高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備方法，其特征在于選用離子濺射沉積技術(shù)，具體為雙輝等離子表面冶金技術(shù)制備該涂層，并選用鐵鋁鉻合金絲作為源極。其中源極為網(wǎng)狀圓盤結(jié)構(gòu)，直徑為10cm，其成分配比為Al:4 6wt%、Cr: 15 25wt%，余量為Fe，絲材直徑為
1.(Tl.5mm,網(wǎng)材孔徑為10 14目。具體工藝過程為:
(1)將碳鋼材料表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑矗娓桑?br> (2)將上述碳鋼材料和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以碳鋼材料為工件極，以鐵鋁鉻電阻絲(網(wǎng))為源極，調(diào)節(jié)兩極之間的間距為15 25mm ；
(3)抽真空至氣壓為0.5^1.5Pa，送入 氬氣，啟動輝光。后續(xù)試驗共分三個階段。階段一時間為0.5^1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:85(T950V ；
工件電壓:550 650 V ；
氬氣氣壓:34 38 Pa ；
階段二時間為1.(Γ2.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:75(T850V ；
工件電壓:450 550V ；
氬氣氣壓:38 42Pa ；
階段三時間為0.5^1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:80(T900V ；
工件電壓:50(T600V ；
氬氣氣壓:32 36Pa ；
(4)停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備
制備該Fe-Al-Cr涂層的最佳工藝參數(shù)為:圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲源極的成分配比為:A1:5wt%, Cr:20wt%，余量為Fe，絲材直徑為1.2mm,網(wǎng)材孔徑為12目。具體工藝為:
(O將碳鋼材料表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑?，烘干?br> (2)將上述碳鋼材料和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以碳鋼材料為工件極，以圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲為源極，調(diào)節(jié)兩極之間的間距為20mm ；
(3)抽真空至氣壓為1.0Pa，送入氬氣，啟動輝光。后續(xù)試驗共分三個階段。階段一時間為lh，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:900V ；
工件電壓:600 V ；
氬氣氣壓:35 Pa ；階段二時間為1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:800V ；
工件電壓:500V ；
IS氣氣壓:40Pa ；
階段三時間為Ih內(nèi)，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:850V ；
工件電壓:550V ；
氬氣氣壓:35Pa ；
(4)停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備
本發(fā)明的涂層具有較高的韌性，且韌性沿表面深度方向連續(xù)梯度下降，期間無突變點，實現(xiàn)了涂層與基體間力學(xué)性能的良好過渡結(jié)合。其中，涂層表面顯微硬度為60(T700 HV0.1；臨界裂紋擴展能7.5^8.5J/m2，沿表面深度方向，其顯微硬度和臨界裂紋擴展能均隨Cr含量的降低呈梯度下降，其中顯微硬度降至20(T300HVai，臨界裂紋擴展能降至3.5^4.5J/m2，期間無突變點。與采用高速電弧噴涂和超音速電弧噴涂技術(shù)制備的Fe-Al-Cr涂層相比，采用本專利的雙輝等離子表面冶金技術(shù)制備的Fe-Al-Cr涂層，不僅保持了涂層原有的優(yōu)異抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的性能，同時可明顯提高材料的硬度和韌性；另外，選用鐵鋁鉻合金絲制成網(wǎng)狀圓盤結(jié)構(gòu)這一新型源極結(jié)構(gòu)，可達(dá)到提高源極濺射產(chǎn)額的目的，與其他制備該種涂層的方法相比，效率得到大幅提升。由于整個操作過程在真空條件下進行，無污染，勞動條件及零件處理后的表面質(zhì)量好，同時制備所得涂層與基體間為冶金結(jié)合，不存在易剝落等問題。本發(fā)明的優(yōu)點在于:①該涂層中的金屬以原子形態(tài)與基體冶金結(jié)合，且平整致密、無空洞和裂紋等缺陷；|2|涂層具有高韌性，且實現(xiàn)了涂層與基體間力學(xué)性能的良好過渡結(jié)合，同時保持了 Fe-Al涂層原有的優(yōu)異抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的性能 采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)，使得涂層的工藝周期縮短，大大提高了涂層的制備效率，操作簡便；④選用圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲作為實驗的源極，可提高源極的濺射產(chǎn)額。


圖1:雙輝等離子表面冶金裝置的原理 1-源極(陰極);2-保護罩；3_工件極(陰極);4_源極電源；5_陰極電源；6-氬氣；7_陽
極
圖2:實施例3中所得高韌性Fe-Al-Cr涂層的XRD圖譜 圖3:實施例3中所得高韌性Fe-Al-Cr涂層的表面SEM圖 圖4:實施例3中所得高韌性Fe-Al-Cr涂層的截面SEM圖
8、Fe-Al-Cr合金層；9、基體
圖5:實施例3中所得高韌性Fe-Al-Cr涂層 的截面元素分布
具體實施例實施例1下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明。但對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，完全可以在具體實施方式
所列數(shù)值的基礎(chǔ)上進行合理概括和推導(dǎo)。(I)將20鋼表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑?，烘干?br> (2)將上述20鋼和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以20鋼為工件極，以圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲作為源極。其中該源極成分配比為:A1:4%,Cr:25%，余量為Fe，絲材直徑為1.5mm,網(wǎng)材孔徑為14目。調(diào)節(jié)兩極之間的間距為15mm。(3 )抽真空至0.5Pa，送入氬氣，啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)。后續(xù)試驗共分三個階段。階段一時間為0.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:850V ；
工件電壓:550V ；
IS氣氣壓:34 Pa ；
階段二時間為1.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:750V ；
工件電壓:450V ；
氬氣氣壓:38Pa ；
階段三時間為0.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:800V ；
工件電壓:500V ；
氬氣氣壓:32Pa ；
(4)停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備
制備所得Fe-Al-Cr涂層厚度為20 μ m，涂層與基體間為冶金結(jié)合。其表面Fe含量為63wt%，沿表面深度方向上升至92wt% ;表面Al含量為0wt%，沿表面深度方向含量梯度上升至25wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至3wt% ;表面Cr的含量為37%，沿表面深度方向梯度下降至5wt%。制備所得涂層表面顯微硬度為650HVai，臨界裂紋擴展能為8.0J/m2,沿表面深度方向，其顯微硬度和臨界裂紋擴展能均隨Cr含量的降低呈梯度下降，其中顯微硬度降至250HVai，臨界裂紋擴展能4.0J/m2,期間無成分突變點。實施例2
(1)將45鋼表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑?，烘干?br> (2)將經(jīng)過上述處理的45鋼和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以45鋼為工件極，以鐵鋁鉻合金絲制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為源極。其中源極成分配比為:A1:6%,Cr:15%，余量為Fe，絲材直徑為1.0mm,網(wǎng)材孔徑為10目。調(diào)節(jié)兩極之間的間距為25mm。(3 )抽真空至0.5Pa，送入氬氣，啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為。后續(xù)試驗共分三個階段。階段一時間為1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:950V ；
工件電壓:650V ；
氬氣氣壓:38 Pa ；
階段二時間為2.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:850V ；工件電壓:550V ；
IS氣氣壓:42Pa ；
階段三時間為1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:900V ；
工件電壓:600V ；
IS氣氣壓:36Pa ；
(4)停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備
制備所得Fe-Al-Cr涂層厚度為30 μ m，涂層與基體間為冶金結(jié)合。其表面Fe含量為65wt%，沿表面深度方向上升至95wt% ;表面Al含量為5wt%，沿表面深度方向含量梯度上升至20wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至5wt% ;表面Cr的含量為30%，沿表面深度方向梯度下降至0wt%。制備所得涂層表面顯微硬度為600HVai，臨界裂紋擴展能為7.5J/m2，沿表面深度方向，其顯微硬度和臨界裂紋擴展能均隨Cr含量的降低呈梯度下降，其中顯微硬度降至200HVai，臨界裂紋擴展能降3.5J/m2，期間無成分突變點。實施例3
(1)將Q235鋼表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑矗娓桑?br> (2)將經(jīng)過上述處理的Q235鋼和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以Q235鋼為工件極，以鐵鋁鉻合金絲制成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)作為源極。其中源極成分配比為:A1:5%, Cr:20%，余量為Fe，絲材直徑為1.2mm,網(wǎng)材孔徑為12目。調(diào)節(jié)兩極之間的間距為20mm。(3)抽真空至1.0Pa，送入氬氣，啟動輝光，調(diào)試工藝參數(shù)為。后續(xù)試驗共分三個階段。階段一時間為1.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:900V ；
工件電壓:600V ；
氬氣氣壓:35 Pa ；
階段二時間為1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:850V ；
工件電壓:500V ；
IS氣氣壓:40Pa ；
階段三時間為1.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:
源極電壓:850V ；
工件電壓:550V ；
氬氣氣壓:35Pa ；
(4)停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備
制備所得Fe-Al-Cr涂層厚度為25 μ m，涂層與基體間為冶金結(jié)合。其表面Fe含量為60wt%，沿表面深度方向上升至90wt% ;表面Al含量為0wt%，沿表面深度方向含量梯度上升至30wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至0wt% ;表面Cr的含量為40%，沿表面深度方向梯度下降至10wt%。制備所得涂層表面顯微硬度為700HVai，臨界裂紋擴展能為8.5J/m2，沿表面深度方向，其顯微硬度和臨界裂紋擴展能均隨Cr含量的降低呈梯度下降，其中顯微硬度降至300HVai， 臨界裂紋擴展能4.5J/m2，期間無成分突變點。
權(quán)利要求
1.一種高韌性Fe-Al-Cr涂層，其特征在于:涂層厚度為2(Γ30 μ m，涂層與基體間為冶金結(jié)合，其中涂層表面Fe含量為6(T65wt%，沿表面深度方向梯度上升至9(T95wt% ;涂層表面中Al含量為(T5wt%，沿表面深度方向含量先梯度上升至2(T30wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至(T5wt% ;涂層表面中Cr含量為3(T40wt%，沿表面深度方向梯度下降至O 10wt%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備方法，其特征在于: 采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)制備，源極為圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲，該鐵鋁鉻合金絲的成分配比為:A1:4 6wt%，Cr:15 25wt%，余量為Fe，絲材直徑為1.(Tl.5mm，網(wǎng)材孔徑為10 14目； 具體工藝為: 步驟1、將碳鋼材料表面用金相砂紙?zhí)幚聿⒊暻逑矗娓桑? 步驟2、將上述碳鋼材料和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以碳鋼材料為工件極，以圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲為源極，調(diào)節(jié)兩極之間的間距為15 25mm ；步驟3、抽真空至氣壓為0.5^1.5Pa，送入氬氣，啟動輝光，后續(xù)過程共分三個階段:步驟3-1、階段一時間為0.5^1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:85(T950V ;工件電壓:550 650 V ;氬氣氣壓:34 38 Pa ； 步驟3-2、階段二時間1.(Γ2.0h內(nèi)，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:75(T850V ;工件電壓:450 550V ;氬氣氣壓:38 42Pa ； 步驟3-3、階段三時間為0.5^1.5h內(nèi)，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:80(T900V ;工件電壓:50(T600V ; 氬氣氣壓:32 36Pa ； 步驟4停止輝光，斷電，完成高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備方法，其特征在于: 所述圓盤結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀鐵鋁鉻合金絲源極的成分配比為:A1:5wt%, Cr:20wt%，余量為Fe，絲材直徑為1.2mm,網(wǎng)材孔徑為12目； 具體工藝中步驟2所述兩極之間的間距為20mm ； 具體工藝中步驟3所述抽真空至氣壓為1.0Pa ； 具體工藝中步驟3-1、階段一時間為1.0h，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:900V;工件電壓:600 V ;氬氣氣壓:35 Pa ； 具體工藝中步驟3-2、階段二時間為1.5h，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:800V;工件電壓:500V ;氬氣氣壓:40Pa ； 具體工藝中步驟3-3、階段三時間為l.0h內(nèi)，調(diào)試工藝參數(shù)為:源極電壓:850V ;工件電壓:550V ;氬氣氣壓:35Pa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法，屬于Fe-Al金屬間化合物的制備領(lǐng)域。該涂層厚度為20~30μm，涂層與基體間為冶金結(jié)合，其中涂層表面Fe含量為60~65wt%，沿表面深度方向梯度上升至90~95wt%；涂層表面中Al含量為0~5wt%，沿表面深度方向含量先梯度上升至20~30wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至0~5wt%；涂層表面中Cr含量為30~40wt%，沿表面深度方向梯度下降至0~10wt%。上述涂層采用離子濺射沉積技術(shù)制備，選用鐵鋁鉻合金絲作為靶材。其中靶材為網(wǎng)狀圓盤結(jié)構(gòu)，直徑為10cm，其成分配比為Al4~6wt%、Cr15~25wt%，余量為Fe，絲材直徑為1.0~1.5mm，網(wǎng)材孔徑為10~14目。本發(fā)明的涂層具有較高的韌性，且韌性沿表面深度方向連續(xù)梯度下降，期間無突變點。
文檔編號C23C14/38GK103147044SQ20131007678
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者姚正軍, 羅西希, 魏東博, 張平則, 周金堂, 陳煜 , 朱俊謀, 周文斌, 楊紅勤, 吳小鳳 申請人:南京航空航天大學(xué)