一種高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層及其制備方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面工程技術(shù)領域，具體涉及一種高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]與常規(guī)晶態(tài)金屬不同，非晶態(tài)金屬中原子的排列呈短程有序、長程無序的排列方式。這種特殊的原子排列方式使非晶態(tài)金屬當中不存在晶界、位錯等腐蝕和塑性變形的優(yōu)先通道。因此，與晶態(tài)金屬相比，非晶態(tài)金屬通常表現(xiàn)出極高的硬度、優(yōu)異的耐腐蝕性能。
[0003]傳統(tǒng)的冶金領域，非晶金屬材料的獲得需要極高的冷卻速度抑制晶核在熔融液態(tài)金屬中的形核來實現(xiàn)。除了材料的成分配比外，冷卻速度是決定非晶態(tài)金屬能否形成的最重要因素。由于冷卻速度與材料的尺寸負相關，因此制備大體積的非晶態(tài)金屬材料及其困難，這一缺點限制了非晶態(tài)金屬作為大型構(gòu)件的廣泛應用。
[0004]70%的材料失效由腐蝕、磨損、疲勞等起源于材料表面的破壞形式引起，因此材料表面的防護至關重要。如果能在常規(guī)的晶態(tài)金屬表面制備耐腐蝕、力學性能優(yōu)異的非晶態(tài)金屬涂層，將大幅度提高材料的服役壽命。熱噴涂技術(shù)是一種通過一定的熱源及氣流將以棒材、絲材或粉末形式的材料熔化、霧化，然后以液滴的形式撞擊到基材表面，冷卻凝固最終形成涂層一種工藝。較小的液滴尺寸使凝固時的冷卻速度可以達到106K/s以上，因此熱噴涂技術(shù)是制備金屬非晶涂層的潛在方法。目前能夠制備金屬非晶涂層的熱噴涂工藝有大氣等離子噴涂、低壓等離子噴涂、HVOF、HVAF及電弧噴涂等。與其他工藝相比，電弧噴涂具有設備簡單、使用價格相對低廉的絲材的特點，因此大大增加了施工的靈活性并且顯著降低了制造成本。
[0005]涂層中的非晶含量是影響熱噴涂金屬非晶涂層性能的重要因素，非晶含量越高，涂層的性能相對越高。因此，除了優(yōu)化噴涂參數(shù)外，通過合金材料成分的設計以提高其非晶形成能(glass forming ability)是提高非晶涂層性能的關鍵。另一方面，非晶是一種非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)材料，在一定溫度條件下可通過形核、長大逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)材料，從而失去非晶態(tài)金屬材料優(yōu)異的性能。如果要使非晶態(tài)涂層在具有一定溫度作用的環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，需要通過成分設計顯著提高非晶態(tài)金屬涂層的晶化溫度，提高其熱穩(wěn)定性。上述兩個問題是制約熱噴涂非晶態(tài)金屬涂層發(fā)展的重要問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層的制備方法，該方法操作簡單，能夠擴展非晶涂層在一定溫度工況下的應用。
[0007]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0008]一種尚熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0009]1)以質(zhì)量百分比計，取原料粉末:Cr:19.3%?22.5% ;Mo:17.2%?20.3% ;B:3.1%~ 5.0% ；C:3.0 ?4.5% ；S1:1.5 ?2.0% ；Re:0.3 ?0.6% ;余量為 Fe ;將原料粉末制成粉芯絲材；
[0010]2)采用電弧噴涂或鎳拉毛方法，以NiAl絲材為原料，在預處理后的基體材料上制備NiAl打底層；
[0011]3)采用電弧噴涂法，以步驟1)制得的粉芯絲材為原料噴涂在NiAl打底上，制得高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層。
[0012]步驟1)將原料粉末制成直徑為1.6?2mm的粉芯絲材。
[0013]步驟2)中制備的NiAl打底層厚度為80?120 μ m。
[0014]步驟2)的電弧噴涂條件為:噴槍距離基體材料表面200mm ;電壓為28?35V，電流為200?260A ;空氣壓力為0.5?0.65MPa ;噴槍移動速度為400?650mm/s。
[0015]步驟3)中制得的高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層厚度為300?500 μ m。
[0016]步驟3)的電弧噴涂條件為:噴槍距離基體材料表面200mm ；電壓為28?35V，電流為180?260A ;空氣壓力為0.5?0.65MPa ;噴槍移動速度為350-650mm/s。
[0017]基體材料的預處理包括噴砂表面粗化處理及基體表面殘余砂粒的清除。
[0018]本發(fā)明還公開了基于上述的方法制得的高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層，該鐵基非晶涂層的非晶含量超過80%，晶化溫度達850?958K，顯微維氏硬度為870?1000HVa3，非晶涂層結(jié)合強度達30?63MPa。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0020]本發(fā)明公開的高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層的制備方法，首先，通過材料成分設計，選取適合的原料粉末，制成粉芯絲材，使B、C、Si等非晶形成元素配比合理，提高涂層的非晶形成能力；通過較高含量Mo的添加實現(xiàn)非晶涂層的高熱穩(wěn)定性；通過較高含量Cr的添加和非晶特征實現(xiàn)非晶涂層高的耐腐蝕性和高的硬度。其次，采用鎳拉毛或者電弧噴涂Ni/Al的方式在預處理后的基底材料上制備打底層，保證了非晶涂層與基底材料高的結(jié)合強度。最后，采用電弧噴涂在打底層上沉積粉芯絲材，制得高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層。
[0021]經(jīng)本發(fā)明方法制得的高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層，非晶涂層的非晶含量超過80%，晶化溫度達850?958K，顯微維氏硬度為870?1000HVa3，非晶涂層結(jié)合強度達30?63MPa。具有非晶含量高、硬度高，熱穩(wěn)定性高的特點，在化工、采礦、火電等領域的耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕工況下具有廣泛應用前景。特別熱穩(wěn)定性高的特點使上述涂層在諸如“鍋爐四管”等有一定溫度作用的環(huán)境下比常規(guī)鐵基非晶涂層在腐蝕、沖蝕、磨損工況下具有更大的優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0022]圖1為粉芯絲材的截斷面結(jié)構(gòu)；
[0023]圖2為本發(fā)明鐵基非晶涂層體系的斷面結(jié)構(gòu)；
[0024]圖3為本發(fā)明鐵基非晶涂層的XRD圖譜；
[0025]圖4為本發(fā)明鐵基非晶涂層的DSC曲線；
[0026]圖5為本發(fā)明鐵基非晶涂層在5mol/L的NaCl溶液中的極化曲線。
【具體實施方式】
[0027]下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0028]本發(fā)明公開的高熱穩(wěn)定性鐵基非晶涂層及制備方法，通過以下步驟實施:
[0029]步驟一，按照下列質(zhì)量百分制備直徑為1.6-2mm的粉芯絲材:Cr:19.3% -22.5%；Mo:17.2% -20.3% ；B:3.1% _5.0% ；C:3.0-4.5% ；S1:1.5-2.0% ；Re:0.3-0.6% ;余量為
Fe0
[0030]步驟二，采用電弧噴涂以商用NiAl絲材為原料在預處理后的基體材料上制備NiAl打底層，涂層厚度約為100 μm.噴涂參數(shù):噴槍距基材表面距離:200mm;電壓:28-35V，電流:200-260A，空氣壓力:0.5-0.65MPa，噴槍移動速度:400-650mm/s?；蛘卟捎面嚴黾踊状植诙龋鰪姺蔷繉优c基底材料的結(jié)合強度。
[0031]步驟三，采用電弧噴涂，以本發(fā)明步驟一所制備的粉芯絲材為原料制備鐵基非晶涂層，涂層厚度控制在300-500 μπι之間。噴涂參數(shù):噴槍距基材表面距離:200mm ;電壓:28-35V，電流:180-260A，空氣壓力:0.5-0.65MPa，噴槍移動速度:350-650mm/s。
[0032]本發(fā)明中粉芯絲材中各元素的作用為:
[0033]C:非晶形成元素；B:非晶形成元素；S1:非晶形成元素，同時可降低金屬組分中的氧含量，提尚涂層的抗氧化性；Cr:提尚非晶涂層的抗腐蝕和抗氧化性能；Mo:與C為尚混合熵元素，提高非晶涂層的熱穩(wěn)定性；Re:熔滴凝固時凈化金屬組分，提高氧化膜與涂層的結(jié)合強度，增加涂層耐腐蝕及抗氧化性。
[0034]本發(fā)明中粉芯絲材的是采用在U形的FeCr不銹鋼外皮內(nèi)填充粉芯，包覆、然后通過拉拔工藝逐漸減徑到1.6-2.0mm。
[0035]實施例1
[0036]按照如下比例:Fe:50.2% ；Cr:21.5% ；Mo:19.4% ；B:4.0% ；C:3.0% ；S1:1.5% ；Re:0.4%，將原料粉末機械在滾筒球磨機中混合5h后按