一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有低磁高致密的新型鐵基非晶涂層的制備方法，以Slater-Pauling磁性曲線為基礎(chǔ)，開發(fā)出低磁鐵基非晶合金新成分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%，其余為Fe。將該成分的鐵基非晶合金采用工業(yè)氣霧化技術(shù)制備成粉末原料，采用活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)火焰噴涂制備非晶涂層。本發(fā)明提供的鐵基非晶涂層制備工藝接近實(shí)際工業(yè)化水平，工藝可控、成本低廉，具有高致密度、低磁性、高硬度、耐磨等優(yōu)點(diǎn)，解決了鐵基非晶涂層孔隙率高、易磁化以及成本高的缺點(diǎn)，在電力、艦船、油田等領(lǐng)域中具有非常大的應(yīng)用潛力。
【專利說明】 一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及非晶合金涂層材料，具體涉及一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵基塊體非晶合金具有高強(qiáng)度、高耐磨性、優(yōu)異的耐腐蝕性，應(yīng)用前景可觀。鐵基非晶合金的主要構(gòu)成元素是過渡金屬和類金屬，成本低廉。作為一種新型高性能金屬工程材料，三維大尺寸的Fe基非晶合金材料的制備及其應(yīng)用技術(shù)，一直是材料科學(xué)領(lǐng)域研究和關(guān)注的重要課題之一。然而，由于尺寸上的限制，F(xiàn)e基非晶合金難以作為一種結(jié)構(gòu)材料而獲得廣泛應(yīng)用。
[0003]采用現(xiàn)代先進(jìn)噴涂技術(shù)能夠獲得厚度可控、大面積、高質(zhì)量的非晶合金涂層，從而極大地突破非晶合金尺寸上的限制。非晶合金涂層可應(yīng)用于材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】，起到防護(hù)、隱身作用或形成特種物理、化學(xué)或力學(xué)性能，從而極大拓展非晶合金材料的應(yīng)用范圍。常用的熱噴涂方法包括等離子噴涂、超音速噴涂、超音速火焰噴涂，爆炸噴涂、電弧噴涂等，其中超音速噴涂是制備Fe基非晶涂層的重要方法之一，該方法制備的非晶涂層雜質(zhì)少，殘余應(yīng)力小，涂層致密，沉積粒子間孔隙率小?；钚匀紵咚偃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝，是近期發(fā)展起來的一種新型超音速火焰噴涂技術(shù)，具有高粒子飛行速度、低火焰溫度以及高沉積效率等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，利用氧氣與空氣的混合氣體助燃，因此只要噴涂合金成分適宜，工藝適當(dāng)，極容易形成非晶相。
[0004]目前我國艦艇的隱身技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比仍然有很大的差距，其中重要的原因是在無磁或弱磁材料的研究上相對落后，制造軍艦所使用的材料容易被地球磁場磁化。另外，我國軍艦用材料的耐海水腐蝕性能較差，在服役一定時(shí)期之后都要回到船塢進(jìn)行整修，否則會嚴(yán)重影響其防護(hù)性能。Fe基非晶合金材料由于其結(jié)構(gòu)的均勻性、不存在晶界、位錯(cuò)、沉淀相等特點(diǎn)，而具有極高的耐蝕性能，因此開發(fā)一種具有超低磁Fe基非晶合金涂層材料對工業(yè)與國防具有重大的戰(zhàn)略意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對目前鐵基非晶涂層孔隙率高、易磁化以及成本高的不足，提供了一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法。
[0006]本發(fā)明人已經(jīng)開發(fā)出目前國際上臨界尺寸最大的無鐵磁性Fe基塊體非晶合金Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2,在該Fe基非晶合金成分基礎(chǔ)上，根據(jù)著名的Slater-Pauling磁性曲線，材料的原子磁矩與原子外殼電子數(shù)目的關(guān)系，通過向鐵基非晶合金中添加Cu、Ni等過渡金屬元素來填充原子核外電子軌道，減少核外單電子數(shù)目，降低電子自旋磁矩，從而設(shè)計(jì)具有超低磁的鐵基非晶合金新成分Fe48_xCuxCr15Mo14C15B6Y2 (at%，x= 2、5、8、9、14，名義成分)。
[0007]本發(fā)明提出的低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，具體步驟如下:(1)依據(jù)Slater-Pauling磁性曲線，設(shè)定低磁鐵基非晶合金成分,所述鐵基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 組成；
(2)采用工業(yè)氣霧化法將步驟(1)設(shè)定的低磁鐵基非晶合金成分制備成鐵基非晶粉末原料，所述鐵基非晶合金組份的質(zhì)量百分比為:
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%
其余為Fe，其總質(zhì)量滿足100% ；
工業(yè)氣霧化法的反應(yīng)條件為:控制過熱度為98-102 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ；
(3)采用活性燃燒高速炮報(bào)噴涂技術(shù)制備鐵基非晶涂層，控制壓縮空氣和丙烷的壓力分別為90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，噴涂距離180~230_，槍管長度200~275mm。
[0008]采用工業(yè)純原料、工業(yè)氣體霧化法制備成鐵基非晶粉末，粉末粒度主要為30-60μ m0
[0009]本發(fā)明中，所得鐵基非晶涂層孔隙率低于〈2%。
[0010]本發(fā)明所制備的非晶涂層孔隙率極低，且具有低磁性、高耐磨性。
[0011]本發(fā)明與已有的鐵基非晶合金涂層相比具有如下特點(diǎn):
(I)本非晶涂層所需原料均為無毒、低成本的工業(yè)原料，制備工藝簡單，可控性強(qiáng)。
[0012](2)本涂層具有高的致密度，孔隙率〈2%。
[0013](3)本涂層具有極弱的鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度為0.547 emu/g，初始磁化率為
7.6X10'
[0014](4)本涂層具有高硬度、高耐磨性，維氏硬度為758 Hv。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為氣霧化的鐵基非晶合金粉末的掃描電鏡(SEM)圖；
圖2為非晶合金在為氣霧化的鐵基非晶合金粉末和活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)技術(shù)制備的鐵基非晶涂層的X射線衍射(XRD)圖；
圖3鐵基非晶涂層的截面掃描電鏡背散射(BSE-SEM)圖；
圖4鐵基非晶涂層的室溫磁滯回線。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合 附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]實(shí)施例1:本Fe基非晶合金粉末的化學(xué)成分為: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% ;其余為Fe ;(質(zhì)量百分比)，總質(zhì)量滿足
100% ο[0018]從Fe基非晶涂層的工業(yè)化角度出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)脫離實(shí)驗(yàn)室的高純原料、高真空氣體保護(hù)的制備條件，本發(fā)明采用工業(yè)純原料、工業(yè)氣體霧化法批量制備Fe基非晶合金粉末。氬氣霧化主要工藝參數(shù)為:過熱度約100 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20 MPa。氣霧化法得到的非晶粉末形貌圖，如圖1所示。粉末多數(shù)為球狀或橢球狀，表面光滑，流動(dòng)性良好。粉末粒度范圍主要為30?60 μ m，且分布較為均勻，適合噴涂。粉末和涂層的X射線衍射圖(XRD)，如圖2所示。
[0019]本發(fā)明采用Kermetico公司生產(chǎn)的活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂設(shè)備在45#鋼基體上制備Fe基非晶涂層。噴涂前對基材表面進(jìn)行除銹、除油等清潔處理，及噴砂粗化處理。
[0020]該噴涂系統(tǒng)使用丙烷為燃?xì)?，空氣為助燃劑，氮?dú)鉃樗头蹥怏w。噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?77 psi，噴涂距離180 mm，槍管長度225mm，送粉率3rpm,涂層厚度可達(dá)400 μ m。
[0021]AC-HVAF工藝用壓縮空氣取代了氧氣，成本低，火焰溫度低，生產(chǎn)效率高，沉積效率高。涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，含氧量低。Fe基非晶涂層的截面掃描電鏡照片，如圖3所示，涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低于〈2%。
[0022]Fe基非晶涂層樣品的磁性測量，采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)，測試條件為室溫，最大磁場值為20 KOe。該涂層具有弱鐵磁性，飽和磁化強(qiáng)度為0.547 emu/g，初始磁化率為
7.6X10'
[0023]用維氏硬度計(jì)測試涂層的顯微硬度，所加載荷為1000 g，加載15 s，平均顯微硬度值取10次測量的平均值，涂層硬度值達(dá)758 Hv。
[0024]實(shí)施例2:本實(shí)施方式與實(shí)施例1的不同點(diǎn)為:活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?76 psi，噴涂距離180 mm，槍管長度225_，送粉率5 rpm。其它與實(shí)施列I相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的厚度為400 μ m,孔隙率〈2%，磁性能無顯著變化。
[0025]實(shí)施例3:本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)為:活性燃燒高速燃?xì)?AC-HVAF)噴涂工藝參數(shù)為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?76psi，噴涂距離200 mm，槍管長度200 mm,送粉率3 rpm。其它與實(shí)施例1相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的厚度為350 μ m，孔隙率〈2%，磁性能無顯著變化。
【權(quán)利要求】
1.一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)依據(jù)Slater-Pauling磁性曲線，設(shè)定低磁鐵基非晶合金成分,所述鐵基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 組成； (2)采用工業(yè)氣霧化法將步驟(1)設(shè)定的低磁鐵基非晶合金成分制備成鐵基非晶粉末原料，所述鐵基非晶合金組份的質(zhì)量百分比為:
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% 其余為Fe，其總質(zhì)量滿足100% ； 工業(yè)氣霧化法的反應(yīng)條件為:控制過熱度為98-102 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ； (3)采用活性燃燒高速炮報(bào)噴涂技術(shù)制備鐵基非晶涂層，控制壓縮空氣和丙烷的壓力分別為90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，噴涂距離180~230_，槍管長度200~275mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一`種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于:所述制備的鐵基非晶涂層孔隙率低于〈2%。
【文檔編號】C22C45/02GK103862055SQ201410074480
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】沈軍, 羅強(qiáng), 孫亞娟, 焦津, 呂云卓 申請人:同濟(jì)大學(xué)