表面改性的非晶合金粉末、制備方法及利用其制備的涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其特征在于，通過表面改性技術(shù)在所述非晶合金粉末表面包覆一層抗氧化的金屬鍍層。本發(fā)明還公開了該粉末的制備方法，以及利用該粉末制備的非晶復(fù)合涂層及其制備方法。本發(fā)明非晶復(fù)合涂層具有優(yōu)異的抗氧化性能、高結(jié)合力以及良好的抗磨損性能，克服了以往單相非晶涂層/金屬基體之間界面結(jié)合力較差、高溫抗氧化性能不足的問題，可以有效降低非晶粉末在高溫?zé)釃娡窟^程中的表面氧化。該復(fù)合涂層在航空航天、鉆探、火力發(fā)電等熱結(jié)構(gòu)材料和耐磨領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】表面改性的非晶合金粉末、制備方法及利用其制備的涂層

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面涂層【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種表面改性的非晶合金粉末、該非晶合金粉末的制備方法以及利用該非晶合金粉末制備的復(fù)合涂層。

【背景技術(shù)】
[0002]非晶態(tài)合金簡(jiǎn)稱非晶合金，又稱為金屬玻璃，具有長(zhǎng)程無序、短程有序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。與傳統(tǒng)的晶態(tài)合金相比，非晶合金具備很多優(yōu)異的性能，如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨和耐腐蝕等，因而引起人們極大的興趣。非晶合金材料存在的問題是其制備工藝過程難以控制，在實(shí)際中很難制備大塊非晶材料，其應(yīng)用主要被限制在薄帶、細(xì)絲、粉末等低維度形狀上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其應(yīng)用，在絕大部分條件下不能作為結(jié)構(gòu)材料使用。
[0003]非晶合金涂層是指通過表面工程技術(shù)在傳統(tǒng)材料表面獲得的一層非晶涂層，該涂層的應(yīng)用可以大大提高傳統(tǒng)表面硬度、耐蝕及耐磨性能，在材料表面改性領(lǐng)域具有十分巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，尤其是成本相對(duì)低廉的鐵基非晶合金涂層，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，如超高的硬度和極佳的耐磨抗腐性能，因此在表面工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004]非晶合金涂層的制備通常采用熱噴涂技方法，其制備的涂層具有耐磨損、耐腐蝕耐高溫和隔熱等優(yōu)良性能，因此在機(jī)械制造、航空航天、石油化工等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。熱噴涂所用的粉末材料大多采用超聲霧化法獲得，超聲霧化法是主要利用高速氣流或水流，以高速度沖擊液態(tài)金屬流，使其霧化成小液滴，隨后凝固成粉末。所得粉末尺寸比較集中，粉末獲得率高，球形化程度好，目前熱噴涂用的非晶合金粉末大多采用超聲霧化法制得。
[0005]然而，由于金屬粒子在熱噴涂過程中不可避免地會(huì)發(fā)生表面氧化，所形成的氧化物組織會(huì)極大地降低涂層的結(jié)合力、耐磨性以及其他服役性能，這會(huì)嚴(yán)重影響非晶涂層的使用性能和服役壽命。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題和改進(jìn)缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末、其制備方法以及利用該非晶合金復(fù)合粉末制備的涂層，其通過粉末表面改性的方法在非晶合金粉末表面包覆一層抗氧化的金屬鍍層，從而降低非晶合金粉末在熱噴涂過程中的氧化程度，解決目前非晶合金粉末由于高溫噴涂過程的氧化而導(dǎo)致的涂層性能降低的問題。
[0007]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其特征在于，其為通過表面改性技術(shù)在非晶合金粉末表面包覆抗氧化的金屬鍍層的復(fù)合粉末。
[0008]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述粉末表面改性技術(shù)為高能球磨、溶膠凝膠、氣相沉積、化學(xué)鍍、電鍍方法中的一種或多種復(fù)合。
[0009]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述金屬鍍層材料為純N1、純Co、純Cu、N1-P, N1-B, N1-ff,N1-W-P和N1-Cu-P中的一種或多種復(fù)合。
[0010]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述金屬鍍層的厚度在1-5μπι。
[0011]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述非晶合金粉末采用超聲霧化方法制備，其粒徑范圍為15-60 μ m,粉末為完全非晶態(tài)。
[0012]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種非晶合金復(fù)合涂層，其特征在于，該涂層通過將上述非晶合金復(fù)合粉末利用熱噴涂方法制備得到。
[0013]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述非晶復(fù)合涂層的厚度在100-1500 μ m。
[0014]作為本發(fā)明的改進(jìn)，上述熱噴涂包括火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、電弧噴涂或超音速火焰噴涂。
[0015]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于，其通過表面改性技術(shù)在所述非晶合金粉末表面包覆一層金屬鍍層，即可形成表面改性的非晶合金復(fù)合粉末。
[0016]按照本發(fā)明的再一方面，提供一種非晶合金復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，將上述非晶合金復(fù)合粉末利用熱噴涂方法進(jìn)行噴涂，即可制備得到所述非晶合金復(fù)合涂層。
[0017]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0018]本發(fā)明針對(duì)金屬基非晶合金粉末在高溫噴涂過程中容易氧化的問題，采用簡(jiǎn)易的粉末表面改性技術(shù)，在非晶合金粉末表面鍍上一層抗氧化涂層，該技術(shù)所采用的設(shè)備與工藝簡(jiǎn)單，操作方便，能夠獲得厚度均勻、結(jié)合力強(qiáng)的金屬鍍層，可大規(guī)模生產(chǎn)。
[0019]本發(fā)明基于粉末表面改性獲得的非晶復(fù)合涂層，具有高結(jié)合力，優(yōu)異的抗氧化性能和抗磨損性能。這種復(fù)合涂層在熱結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域(如航空航天、火力發(fā)電等)以及耐磨材料領(lǐng)域(如鉆探、工具刀等)有巨大的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1 (a)、(b)和(C)分別為單相鐵基非晶粉末、N1-P和Ni_W_P改性的非晶復(fù)合粉末掃描電子顯微鏡(SEM)表面形貌圖；(d)和(e)分別為N1-P和N1-W-P改性的非晶復(fù)合粉末掃描電子顯微鏡(SEM)截面形貌圖。
[0021]圖2 (a)、(b)和(C)分別為單相鐵基非晶涂層、N1-P和Ni_W_P改性的非晶復(fù)合涂層掃描電子顯微鏡(SEM)截面形貌圖。
[0022]圖3 (a)粉末與(b)涂層的X射線衍射圖
[0023]圖4非晶復(fù)合涂層與單相非晶涂層的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)比。
[0024]圖5非晶復(fù)合涂層與單相非晶涂層的抗氧化性能對(duì)比。
[0025]圖6非晶復(fù)合涂層與單相非晶涂層的耐磨損性能對(duì)比。

【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0027]實(shí)施例1
[0028]本實(shí)施例中，優(yōu)選的非晶合金粉末為Fe基非晶合金粉末。
[0029]首先按所需的成分用例如真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，然后將母合金放入霧化爐內(nèi)，采用超聲氣體霧化技術(shù)制備Fe基非晶合金粉末。其粉末顆粒形貌如圖1(a)所示，粉末表面光滑、呈近球形。本發(fā)明中，粒徑范圍優(yōu)選為15_60μπι。
[0030]然后，對(duì)上述粉末進(jìn)行表面改性處理，本實(shí)施例中優(yōu)選是化學(xué)鍍改性，但本發(fā)明并不限于此，例如可以是高能球磨、溶膠凝膠、氣相沉積、化學(xué)鍍、電鍍方法中的一種或幾種的復(fù)合。
[0031]改性處理中，先進(jìn)行前處理，即可通過鈀離子對(duì)上述非晶合金粉末進(jìn)行活化處理使其表面形成活性位點(diǎn)，然后經(jīng)過水洗與酒精清洗，最后過濾干燥。
[0032]上述前處理之后，即可對(duì)上述非晶粉末進(jìn)行化學(xué)鍍改性，本實(shí)施例中優(yōu)選的金屬鍍層為N1-P，其具體工藝如下:
[0033]a)配置如下成分的化學(xué)溶液:
[0034]

六水硫酸鎳 20-40g/L
一水次亞磷酸鈉20-40g/L
無水乙酸鈉 2.0-40g/L
85%乳酸20 40mL/L
硫脲l-10mg/L
[0035]b)將上述前處理之后的非晶粉末浸泡在上述化學(xué)溶液中，通過水浴加熱該溶液，使其溫度保持在80-90°C ;調(diào)節(jié)溶液的pH值為4-5 ;該處理過程中保持對(duì)溶液不停地?cái)嚢?，表面處理時(shí)間優(yōu)選為l_2h。
[0036]c)之后對(duì)上述粉末水洗、酒精清洗過濾，然后干燥，獲得N1-P改性的非晶復(fù)合粉末。改性后的粉末形貌如圖1(b)和(d)所示，可見非晶粉末表面均勻地包覆了一層厚度為
2μ m的N1-P金屬鍍層。
[0037]最后，利用熱噴涂方法將所述非晶粉末噴涂在材料表面，即可在材料表面形成鐵基非晶復(fù)合涂層。
[0038]根據(jù)ASTM C633標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)鐵基非晶復(fù)合涂層進(jìn)行拉伸測(cè)試以獲得涂層的結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)該N1-P包覆的鐵基非晶復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到42MPa，是單相鐵基非晶涂層的結(jié)合強(qiáng)度的1.6倍，結(jié)果如圖4所示。
[0039]將鐵基非晶復(fù)合涂層從基體上剝離，用320#砂紙打磨，除去涂層表面氧化層，用酒精超聲清洗，干燥，用天平稱重，然后將樣品放在空氣中加熱至800°C，保溫20h，取出后冷卻至室溫稱重，計(jì)算其氧化增重，發(fā)現(xiàn)該N1-P包覆的鐵基非晶涂層的氧化增重為3.2%，僅為單相鐵基非晶涂層的2/3，結(jié)果如圖5所示。
[0040]采用摩擦試驗(yàn)機(jī)對(duì)鐵基非晶復(fù)合涂層進(jìn)行球盤式摩擦試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為:載荷10N，轉(zhuǎn)速0.2m/s，直徑6mm的Al2O3陶瓷球作為摩擦副，時(shí)間1000s。摩擦結(jié)束后用白光干涉儀測(cè)量鐵基非晶復(fù)合涂層的體積損失量，計(jì)算磨損速率，發(fā)現(xiàn)該N1-P改性的鐵基非晶復(fù)合涂層的磨損速率為5.SxK^m^N—inT1，僅為單相鐵基非晶涂層的1/2，結(jié)果如圖6所示。
[0041]實(shí)施例2
[0042]本實(shí)施例與與實(shí)施例1不同之處在于，金屬鍍層優(yōu)選為N1-W-P鍍層，另外化學(xué)鍍改性技術(shù)中，本實(shí)施例所用的化學(xué)鍍工藝為:
[0043]

六水硫酸鎳20-25g/L
一水次亞磷酸鈉20-25g/L
二水檸檬酸三鈉30-40g/L
乳酸5-10mL/L
硫酸銨20-30g/L

二水鎢酸鈉30-40g/L
硫脲3-5mg/L
pH6-8
溫度80-9(TC
時(shí)間l-2h
[0044]通過上述處理，本實(shí)施例制備的鐵基非晶復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度為35MPa，為單相鐵基非晶涂層的1.3倍。本實(shí)施例制備的鐵基非晶復(fù)合涂層的氧化增重為1.3%，為單相鐵基非晶涂層的1/4。本實(shí)施例制備的鐵基非晶復(fù)合涂層的磨損速率為4.SX1-WnV1,為單相鐵基非晶涂層的1/3。
[0045]當(dāng)然，上述實(shí)施例僅為用于更好地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定，例如，本發(fā)明中，非晶粉末并不限于上述Fe基非晶粉末，另外，對(duì)于粉末表面的金屬鍍層材料并不限于上述兩種，可以是N1、純Co、純Cu、N1-P、N1-B、N1-W、N1-W-P和N1-Cu-P中的一種或多種復(fù)合。金屬鍍層的厚度可以優(yōu)選在1-5 μ m。另外，涂層的厚度也不限于上述范圍，也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行具體選擇，例如厚度在100-1500 μ m。
[0046]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其特征在于，其為通過表面改性技術(shù)在非晶合金粉末表面包覆有抗氧化的金屬鍍層的復(fù)合粉末。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其中，所述粉末表面改性技術(shù)可以為高能球磨、溶膠凝膠、氣相沉積、化學(xué)鍍、電鍍方法中的一種或多種復(fù)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其中，所述金屬鍍層材料為純N1、純Co、純Cu、N1-P、N1-B、N1-W、N1-W-P和N1-Cu-P中的一種或多種復(fù)合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其中，所述金屬鍍層的厚度在1-5 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末，其中，所述非晶合金粉末采用超聲霧化方法制備，其粒徑范圍為15-60 μ m，粉末為完全非晶態(tài)。
6.一種非晶合金復(fù)合涂層，其特征在于，該涂層通過將權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的非晶合金復(fù)合粉末利用熱噴涂方法制備得到。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種非晶合金復(fù)合涂層，其中，所述非晶合金復(fù)合涂層的厚度為 100-1500 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的一種非晶合金復(fù)合涂層，其中，所述熱噴涂包括火焰噴涂、等離子噴涂、爆炸噴涂、電弧噴涂或超音速火焰噴涂。
9.一種表面改性的非晶合金復(fù)合粉末的制備方法，其特征在于，其通過表面改性技術(shù)在非晶合金粉末表面包覆一層金屬鍍層，即可形成表面改性的非晶合金復(fù)合粉末。
10.一種非晶合金復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于，將上述非晶合金復(fù)合粉末利用熱噴涂方法進(jìn)行噴涂，即可制備得到所述非晶合金復(fù)合涂層。
【文檔編號(hào)】C23C4/12GK104162662SQ201410406600
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】柳林, 汪唯, 張 誠(chéng) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué), 深圳華中科技大學(xué)研究院