CN105256259B - 一种高热稳定性铁基非晶涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高热稳定性铁基非晶涂层及其制备方法，属于材料表面工程技术领域。首先，取原料粉体制备粉芯丝材：Cr：19.3％‑22.5％；Mo：17.2％‑20.3％；B：3.1％‑5.3％；C：3.0‑5.2％；余量为Fe。其次，采用镍拉毛或者电弧喷涂Ni/Al的方式在预处理后的基底材料上制备打底层，保证了非晶涂层与基底材料高的结合强度。最后，采用电弧喷涂在打底层上沉积上述成分的铁基非晶涂层。本发明制备的非晶涂层具有非晶含量高、硬度高，热稳定性高的特点，在化工、采矿、火电等领域的耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀工况下具有广泛应用前景。特别热稳定性高的特点使上述涂层在诸如“锅炉四管”等有一定温度作用的环境下比常规铁基非晶涂层在腐蚀、冲蚀、磨损工况下具有更大的优势。
Description
技术领域
本发明属于材料表面工程技术领域，具体涉及一种高热稳定性铁基非晶涂层及其制备方法。
背景技术
与常规晶态金属不同，非晶态金属中原子的排列呈短程有序、长程无序的排列方式。这种特殊的原子排列方式使非晶态金属当中不存在晶界、位错等腐蚀和塑性变形的优先通道。因此，与晶态金属相比，非晶态金属通常表现出极高的硬度、优异的耐腐蚀性能。
传统的冶金领域，非晶金属材料的获得需要极高的冷却速度抑制晶核在熔融液态金属中的形核来实现。除了材料的成分配比外，冷却速度是决定非晶态金属能否形成的最重要因素。由于冷却速度与材料的尺寸负相关，因此制备大体积的非晶态金属材料及其困难，这一缺点限制了非晶态金属作为大型构件的广泛应用。
70％的材料失效由腐蚀、磨损、疲劳等起源于材料表面的破坏形式引起，因此材料表面的防护至关重要。如果能在常规的晶态金属表面制备耐腐蚀、力学性能优异的非晶态金属涂层，将大幅度提高材料的服役寿命。热喷涂技术是一种通过一定的热源及气流将以棒材、丝材或粉末形式的材料熔化、雾化，然后以液滴的形式撞击到基材表面，冷却凝固最终形成涂层一种工艺。较小的液滴尺寸使凝固时的冷却速度可以达到106K/s以上，因此热喷涂技术是制备金属非晶涂层的潜在方法。目前能够制备金属非晶涂层的热喷涂工艺有大气等离子喷涂、低压等离子喷涂、HVOF、HVAF及电弧喷涂等。与其他工艺相比，电弧喷涂具有设备简单、使用价格相对低廉的丝材的特点，因此大大增加了施工的灵活性并且显著降低了制造成本。
涂层中的非晶含量是影响热喷涂金属非晶涂层性能的重要因素，非晶含量越高，涂层的性能相对越高。因此，除了优化喷涂参数外，通过合金材料成分的设计以提高其非晶形成能(glass forming ability)是提高非晶涂层性能的关键。另一方面，非晶是一种非稳态结构材料，在一定温度条件下可通过形核、长大逐渐转变为晶态材料，从而失去非晶态金属材料优异的性能。如果要使非晶态涂层在具有一定温度作用的环境下表现出优异的性能，需要通过成分设计显著提高非晶态金属涂层的晶化温度，提高其热稳定性。上述两个问题是制约热喷涂非晶态金属涂层发展的重要问题。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，该方法操作简单，能够扩展非晶涂层在一定温度工况下的应用。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，包括以下步骤：
1)以质量百分比计，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％；Si：1.5～2.0％；Re：0.3～0.6％；余量为Fe；将原料粉末制成粉芯丝材；
2)采用电弧喷涂或镍拉毛方法，以NiAl丝材为原料，在预处理后的基体材料上制备NiAl打底层；
3)采用电弧喷涂法，以步骤1)制得的粉芯丝材为原料喷涂在NiAl打底上，制得高热稳定性铁基非晶涂层。
步骤1)将原料粉末制成直径为1.6～2mm的粉芯丝材。
步骤2)中制备的NiAl打底层厚度为80～120μm。
步骤2)的电弧喷涂条件为：喷枪距离基体材料表面200mm；电压为28～35V，电流为200～260A；空气压力为0.5～0.65MPa；喷枪移动速度为400～650mm/s。
步骤3)中制得的高热稳定性铁基非晶涂层厚度为300～500μm。
步骤3)的电弧喷涂条件为：喷枪距离基体材料表面200mm；电压为28～35V，电流为180～260A；空气压力为0.5～0.65MPa；喷枪移动速度为350-650mm/s。
基体材料的预处理包括喷砂表面粗化处理及基体表面残余砂粒的清除。
本发明还公开了基于上述的方法制得的高热稳定性铁基非晶涂层，该铁基非晶涂层的非晶含量超过80％，晶化温度达850～958K，显微维氏硬度为870～1000HV0.3，非晶涂层结合强度达30～63MPa。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，首先，通过材料成分设计，选取适合的原料粉末，制成粉芯丝材，使B、C、Si等非晶形成元素配比合理，提高涂层的非晶形成能力；通过较高含量Mo的添加实现非晶涂层的高热稳定性；通过较高含量Cr的添加和非晶特征实现非晶涂层高的耐腐蚀性和高的硬度。其次，采用镍拉毛或者电弧喷涂Ni/Al的方式在预处理后的基底材料上制备打底层，保证了非晶涂层与基底材料高的结合强度。最后，采用电弧喷涂在打底层上沉积粉芯丝材，制得高热稳定性铁基非晶涂层。
经本发明方法制得的高热稳定性铁基非晶涂层，非晶涂层的非晶含量超过80％，晶化温度达850～958K，显微维氏硬度为870～1000HV0.3，非晶涂层结合强度达30～63MPa。具有非晶含量高、硬度高，热稳定性高的特点，在化工、采矿、火电等领域的耐腐蚀、耐磨损、耐冲蚀工况下具有广泛应用前景。特别热稳定性高的特点使上述涂层在诸如“锅炉四管”等有一定温度作用的环境下比常规铁基非晶涂层在腐蚀、冲蚀、磨损工况下具有更大的优势。
附图说明
图1为粉芯丝材的截断面结构；
图2为本发明铁基非晶涂层体系的断面结构；
图3为本发明铁基非晶涂层的XRD图谱；
图4为本发明铁基非晶涂层的DSC曲线；
图5为本发明铁基非晶涂层在5mol/L的NaCl溶液中的极化曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开的高热稳定性铁基非晶涂层及制备方法，通过以下步骤实施：
步骤一，按照下列质量百分制备直径为1.6-2mm的粉芯丝材：Cr：19.3％-22.5％；Mo：17.2％-20.3％；B：3.1％-5.0％；C：3.0-4.5％；Si：1.5-2.0％；Re：0.3-0.6％；余量为Fe。
步骤二，采用电弧喷涂以商用NiAl丝材为原料在预处理后的基体材料上制备NiAl打底层,涂层厚度约为100μm.喷涂参数：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：28-35V，电流：200-260A，空气压力：0.5-0.65MPa，喷枪移动速度：400-650mm/s。或者采用镍拉毛增加基底粗糙度，增强非晶涂层与基底材料的结合强度。
步骤三，采用电弧喷涂，以本发明步骤一所制备的粉芯丝材为原料制备铁基非晶涂层，涂层厚度控制在300-500μm之间。喷涂参数：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：28-35V，电流：180-260A，空气压力：0.5-0.65MPa，喷枪移动速度：350-650mm/s。
本发明中粉芯丝材中各元素的作用为：
C：非晶形成元素；B：非晶形成元素；Si：非晶形成元素，同时可降低金属组分中的氧含量，提高涂层的抗氧化性；Cr：提高非晶涂层的抗腐蚀和抗氧化性能；Mo：与C为高混合熵元素，提高非晶涂层的热稳定性；Re：熔滴凝固时净化金属组分，提高氧化膜与涂层的结合强度，增加涂层耐腐蚀及抗氧化性。
本发明中粉芯丝材的是采用在U形的FeCr不锈钢外皮内填充粉芯，包覆、然后通过拉拔工艺逐渐减径到1.6-2.0mm。
实施例1
按照如下比例：Fe：50.2％；Cr：21.5％；Mo：19.4％；B：4.0％；C：3.0％；Si：1.5％；Re：0.4％，将原料粉末机械在滚筒球磨机中混合5h后按照填充率35.6％装入宽度为1mm，厚度为0.3mm的FeCr合金U形槽中，包覆、轧制最终形成直径为2mm的粉芯丝材。粉芯丝材的截面显微结构如图1所示。粉芯内不同的组分混合均匀，与外皮结合紧密。
对TP91基材进行喷砂处理，喷砂距离保持在300cm左右，空气压力控制在0.5MPa左右，喷砂时出现火花现象并露出金属光泽，喷砂完成。喷砂完毕后，采用钢丝刷清除表面嵌入的砂粒。
然后采用电弧喷涂，以商用NiAl丝材为原料在喷砂处理后的基体材料上制备NiAl打底层,涂层厚度约为100μm.喷涂参数：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：30V，电流：220A，空气压力：0.55MPa，喷枪移动速度：500mm/s。
待打底层喷涂完毕后，采用电弧喷涂，以本所制备的粉芯丝材为原料制备铁基非晶涂层。喷涂参数如下：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：34V，电流：250A，空气压力：0.55MPa，喷枪移动速度：500mm/s，涂层厚度为400μm。
喷涂完成后涂层的断面结构如图2所示。可以看出，打底层与基材、铁基非晶层与打底层结合良好。图像分析结果表明，铁基非晶层内的孔隙率约为0.7％。铁基非晶层的XRD图谱如图3所示。可以看出，XRD图谱呈现出典型的非晶胞特征，仅出现少量的结晶相衍射峰。定量计算结果表明，非晶含量高达83％。将喷涂的非晶涂层车削剥离，对剥离下的非晶层进行DSC测试以检测及热稳定性，测试结果如图4所示。可以看出非晶涂层的晶化温度高达958K，约为685℃，高于服役温度相对较高的锅炉水冷壁。因此在此类环境中服役时，非晶涂层可以完整的保留其非晶结构。参见图5，在5mol/L的NaCl溶液中对其电化学特性进行了测试。可以发现，涂层与相同组分的非晶箔具有相同的自腐蚀电位和略高的腐蚀电流，二者表现出类似的电化学特性。显微硬度测试结果表明，涂层的显微维氏硬度为987HV0.3，高的硬度显示其具有较高的耐磨损、冲蚀性能。涂层结合强度测试结果表明，直接在基体上沉积铁基非晶涂层时，涂层结合强度约为34MPa，采用打底层后涂层的平均结合强度提高到约为51MPa。
实施例2
按照如下比例：Fe：50.2％；Cr：22.5％；Mo：17.2％；B：5.0％；C：4.0％；Si：0.7％；Re：0.4％，将原料粉末机械在滚筒球磨机中混合5h后按照填充率35.6％装入宽度为1mm，厚度为0.3mm的FeCr合金U形槽中，包覆、轧制最终形成直径为1.6mm的粉芯丝材。
对304不锈钢基材进行喷砂处理，喷砂距离保持在300cm左右，空气压力控制在0.5MPa左右，喷砂时出现火花现象并露出金属光泽，喷砂完成。喷砂完毕后，采用钢丝刷清除表面嵌入的砂粒。然后采用电弧喷涂，以商用NiAl丝材为原料在喷砂处理后的基体材料上制备NiAl打底层,涂层厚度约为100μm.喷涂参数：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：30V，电流：220A，空气压力：0.55MPa，喷枪移动速度：500mm/s。待打底层喷涂完毕后，采用电弧喷涂，以本所制备的粉芯丝材为原料制备铁基非晶涂层。喷涂参数如下：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：34V，电流：220A，空气压力：0.55MPa，喷枪移动速度：600mm/s，涂层厚度为400μm。
喷涂完成后涂层的孔隙率约为0.5％，非晶含量高达83％。涂层的显微维氏硬度为896HV0.3。强度测试结果表明，涂层的平均结合强度提高到约为57MPa。
实施例3
按照如下比例：Fe：52.0％；Cr：19.3％；Mo：17.2％；B：5.0％；C：4.0％；Si：2.0％；Re：0.5％，将原料粉末机械在滚筒球磨机中混合5h后按照填充率35.6％装入宽度为1mm，厚度为0.3mm的FeCr合金U形槽中，包覆、轧制最终形成直径为2.0mm的粉芯丝材。
对汽车发动机用6063铝合金基材，选用石24#英砂进行喷砂处理，喷砂距离保持在300cm左右，空气压力控制在0.4MPa左右。喷砂完毕后，采用钢丝刷清除表面嵌入的砂粒。采用电弧喷涂，以本所制备的粉芯丝材为原料制备铁基非晶涂层。喷涂参数如下：喷枪距基材表面距离：200mm；电压：30V，电流：220A，空气压力：0.55MPa，喷枪移动速度：600mm/s，涂层厚度为270μm。
喷涂完成后涂层的孔隙率约为0.5％，非晶含量高达83％。涂层的显微维氏硬度为920HV0.3。强度测试结果表明，涂层的平均结合强度提高到约为41MPa。以硅铝合金(活塞材料)为摩擦副进行摩擦磨损测试，实验结果表明，干磨损状态下铁基非晶涂层的耐磨性约为普通铸铁的3.7倍，摩擦系数仅为其57％。
Claims (4)
1.一种高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以质量百分比计，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％；Si：1.5～2.0％；Re：0.3～0.6％；余量为Fe；将原料粉末制成粉芯丝材，粉芯丝材是采用在FeCr不锈钢外皮内填充粉芯，包覆、然后通过拉拔工艺逐渐减径到1.6-2.0mm；
2)采用电弧喷涂或镍拉毛方法，以NiAl丝材为原料，在预处理后的基体材料上制备NiAl打底层，NiAl打底层厚度为80～120μm；
3)采用电弧喷涂法，以步骤1)制得的粉芯丝材为原料喷涂在NiAl打底上，制得厚度为300～500μm高热稳定性铁基非晶涂层；电弧喷涂条件为：喷枪距离基体材料表面200mm；电压为28～35V，电流为180～260A；空气压力为0.5～0.65MPa；喷枪移动速度为350-650mm/s。
2.根据权利要求1所述的高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，步骤2)的电弧喷涂条件为：喷枪距离基体材料表面200mm；电压为28～35V，电流为200～260A；空气压力为0.5～0.65MPa；喷枪移动速度为400～650mm/s。
3.根据权利要求1所述的高热稳定性铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于，基体材料的预处理包括喷砂表面粗化处理及基体表面残余砂粒的清除。
4.采用权利要求1～3中任意一项所述的方法制得的高热稳定性铁基非晶涂层，其特征在于，该铁基非晶涂层的非晶含量超过80％，晶化温度达850～958K，显微维氏硬度为870～1000HV0.3，非晶涂层结合强度达30～63MPa。
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