CN110195203B - 一种高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用，所述材料由97‑99 wt%的铁基非晶和1‑3 wt%的石墨烯复合而成；所述铁基非晶包含以下成分，具体重量百分比如下：26wt%Cr、5wt%B、3wt%Si、3wt%Cu、5wt%Ni、10wt%Mo，余量为Fe。首先将制备铁基非晶的原料加入真空气雾化炉中进行熔炼、雾化并筛分粉末。所述粉末在制备高耐蚀铁基非晶复合涂层中的应用，采用超音速火焰喷涂技术制备涂层，喷涂过程中采用异路送粉技术同时连续均匀喷涂铁基非晶粉末和石墨烯。本发明可获得与基体结合强度高、强韧性好、耐腐蚀性能优异的复合涂层，应用前景广阔。

Description

一种高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于材料加工工程的热喷涂领域，特别涉及高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着科学技术的发展，各类金属构件的服役环境日益复杂，海洋等腐蚀性强的环境严重降低了金属构件的使用性能、缩短了其使用寿命，因此开发新型的高耐蚀金属材料成为亟待解决的问题。铁基金属材料是性价比最高的金属种类之一，但是其耐腐蚀性能往往较差。

铁基非晶材料由于具有长程无序的原子结构，材料内部不存在晶界、位错等缺陷，因此其耐腐蚀性能较同化学成分的晶体材料大大提升。然而，非晶材料在制备过程中需要极高的冷却速度，因此制备大块的非晶材料仍是目前难以解决的科技难题。目前，采用热喷涂技术在各类基体材料表面制备一层较薄的涂层是获得非晶材料的有效手段之一。而在各类热喷涂技术中，超音速火焰（HVOF）喷涂技术由于具有相对较高的焰流速度和相对较低的焰流温度，制备出的涂层具有高结合强度和低孔隙率，有利于提高涂层的耐腐蚀性能。但是，现有的HVOF喷涂铁基非晶涂层为了获得较高的非晶含量，通常铬元素含量较低，此外，热喷涂非晶涂层中不可避免的存在孔隙、氧化物和结晶相，这些会导致涂层中出现局部贫铬区，从而降低涂层的耐腐蚀性能。通过成分设计，制备含铬量更高的铁基非晶涂层，对于获得高耐蚀非晶材料具有重要的理论价值和实际意义。此外，在合金材料中添加适量的石墨烯，使石墨烯在合金中形成物理屏蔽层，可以有效阻碍腐蚀介质入侵合金，进一步提高复合材料的耐腐蚀性能。

因此，设计一种高耐蚀铁基非晶粉末，并采用HVOF工艺制备出含铬量高的非晶/石墨烯复合涂层，具有重要的理论意义和实践价值。

发明内容

解决的技术问题：本申请主要是提出一种高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用，解决现有技术中存在的金属构件的使用性能低下、耐腐蚀性能低、使用寿命短、材料内部不存在晶界、位错等技术问题，制备的涂层中，石墨烯均匀地分布在非晶基体中，复合涂层与基体的结合强度好，具有优异的耐腐蚀性能。

技术方案：

一种高耐蚀铁基非晶复合材料，所述高耐蚀铁基非晶复合材料由一种铁基非晶和石墨烯复合而成，其中石墨烯含量为1-3 wt%；其中所述铁基非晶包含以下化学成分，具体重量百分比如下：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe。

本发明还提出一种高耐蚀铁基非晶复合材料的制备方法，所述铁基非晶的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁物料，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内升温至2000℃，保温10min；

第二步：对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后在80℃下干燥2h，筛分粒径为15-45 μm的粉末制得铁基非晶粉末。

作为本发明的一种优选技术方案：第一步中真空感应电磁炉内以10K/s的速度升温至2000℃，保温时间为10min使其全部熔化。

另外，本发明还提供了所述高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用。

作为本发明的一种优选技术方案：所述高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，包括如下步骤：

第一步：对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

第二步：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂过程中同时采用两个喷枪分别连续均匀地喷涂铁基非晶粉末和石墨烯，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。

上述所述的一种高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，可以获得与基体结合强度高、耐腐蚀性能优异的涂层，易于产业化，应用前景广阔，本发明的机理是：铁基非晶由七种元素组成，其中小原子B、Si可以增大与体系主要原子间的尺寸错配度、提高体系的非晶形成能力，从而获得完全非晶的结构。此外，Cr元素可以有效提高涂层的耐腐蚀性能，Mo元素可以提高材料抗点蚀性能，Cu元素可以提高材料的抗微生物腐蚀性能，Ni元素可以改善铁基合金的韧性。与传统铁基非晶材料相比，本发明的铁基非晶含Cr量高，因此，这种铁基非晶具备更为优异的耐腐蚀性能，适合用于恶劣腐蚀环境下工作的构件。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化组成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，由于其比表面积大，可以在材料中形成物理屏蔽层以阻碍腐蚀介质的侵入，大幅度提高复合材料的耐腐蚀性能，获得具有高耐蚀性能的复合材料。但是由于石墨烯的纳米团聚作用，传统方法无法保证石墨烯在材料中良好的分散性，本发明创新性地采用异路送粉方法，即在喷涂过程中使用两个喷枪分别喷涂非晶粉末和石墨烯，可以使石墨烯在铁基非晶涂层中均匀分布，更好地发挥作用。

有益效果：本申请所述高耐蚀铁基非晶复合材料及其制备方法与应用采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、通过调配添加原子的种类和各原子之间的比例，使得原子间具有较大程度的原子错配，使得设计的铁基合金体系具有良好的非晶形成能力和稳定性。

2、通过复合铁基非晶和石墨烯，获得与基体结合强度高、耐腐蚀性能优异的涂层。

3、制备得到的复合涂层的结合强度≥100 MPa，耐海水腐蚀速率≤0.1 mm/年；可以获得与基体结合强度高、耐腐蚀性能优异的涂层，易于产业化，应用前景广阔。

具体实施方式

根据下述的实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

本实施方式中采用拉伸法测量涂层的结合强度，选用FM-1000胶（结合强度为100MPa）为粘结剂；采用科思特CS350H电化学工作站测试涂层的耐海水腐蚀速率。

实施例1

一种高耐蚀铁基非晶复合材料，所述材料由一种铁基非晶和石墨烯复合而成，其中石墨烯含量为1wt%，所述的铁基非晶的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内，然后以10K/s的速度升温至2000℃，保温10min使其全部熔化；

第二步：对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后在80℃下干燥2h，筛分粒径为15-45 μm的粉末制得铁基非晶粉末。

上述所述的一种高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，包括如下步骤：

第一步：对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

第二步：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂过程中同时采用两个喷枪分别连续均匀地喷涂铁基非晶粉末和石墨烯，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。

实施例2

一种高耐蚀铁基非晶复合材料，所述材料由一种铁基非晶和石墨烯复合而成，其中石墨烯含量为2wt%，所述的铁基非晶的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内，然后以10K/s的速度升温至2000℃，保温10min使其全部熔化；

第二步：对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后在80℃下干燥2h，筛分粒径为15-45 μm的粉末制得铁基非晶粉末。

上述所述的一种高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，包括如下步骤：

第一步：对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

第二步：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂过程中同时采用两个喷枪分别连续均匀地喷涂铁基非晶粉末和石墨烯，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。

实施例3

一种高耐蚀铁基非晶复合材料，所述材料由一种铁基非晶和石墨烯复合而成，其中石墨烯含量为3wt%，所述的铁基非晶的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt%Ni、10wt% Mo，余量为Fe进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内，然后以10K/s的速度升温至2000℃，保温10min使其全部熔化；

第二步：对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后在80℃下干燥2h，筛分粒径为15-45 μm的粉末制得铁基非晶粉末。

上述所述的一种高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，包括如下步骤：

第一步：对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

第二步：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂过程中同时采用两个喷枪分别连续均匀地喷涂铁基非晶粉末和石墨烯，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。

上述实施例1~实施例3制备的高耐蚀铁基非晶复合涂层的结合强度和耐海水腐蚀性能，其检测结果如下：

实施例	结合强度/MPa	海水腐蚀涂层减薄量/(mm/年)
			1	≥100	0.10
2	≥100	0.08
			3	≥100	0.09

Claims (3)

1.一种高耐蚀铁基非晶复合材料，其特征在于，所述高耐蚀铁基非晶复合材料由一种铁基非晶和石墨烯复合而成，其中石墨烯含量为1-3 wt%；其中所述铁基非晶包含以下化学成分，具体重量百分比如下：26wt% Cr、5wt% B、3wt% Si、3wt% Cu、5wt% Ni、10wt% Mo，余量为Fe；所述高耐蚀铁基非晶复合材料在制备高耐蚀涂层上的应用，包括如下步骤：

第一步：对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；

第二步：采用超音速火焰喷涂技术在基体表面进行喷涂，喷涂过程中同时采用两个喷枪分别连续均匀地喷涂铁基非晶粉末和石墨烯，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。

2.根据权利要求1所述高耐蚀铁基非晶复合材料，其特征在于所述铁基非晶的制备方法，包括如下步骤：

第一步：根据化学成分的重量百分比进行配料，称取低碳铬铁、高碳铬铁、硼铁、硅铁、电解铜、电解镍、钼铁和纯铁物料，按照熔点从高到低的顺序和含易烧损元素物料最后加入的原则依次将物料加入真空感应电磁炉内，升温至2000℃，保温10min；

第二步：对熔融液体进行真空气雾化处理，气雾化压力为3MPa，然后在80℃下干燥2h，筛分粒径为15-45μm的粉末制得铁基非晶粉末。

3.根据权利要求2所述高耐蚀铁基非晶复合材料，其特征在于，第一步中真空感应电磁炉内以10K/s的速度升温至2000℃，保温时间为10min使其全部熔化。