專利名稱：一種高耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶涂層及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵基合金涂層，特別是涉及非晶納米晶復(fù)合涂層的制備。
背景技術(shù)：
非晶材料、納米晶材料具有比傳統(tǒng)材料更為獨(dú)特而優(yōu)異的性能，是很有發(fā)展前途的新型材料。但是在實(shí)際中，直至目前，這些材料仍還沒有大范圍推廣應(yīng)用，其主要因素是其制備過程難以控制，在實(shí)際中很難制備大塊非晶、納米晶材料，其應(yīng)用主要被限制在薄帶、細(xì)絲、粉末等低維度形狀上。相對而言，非晶、納米晶涂層的制備過程就比較容易實(shí)現(xiàn)，在眾多制備涂層的方法中，熱噴涂技術(shù)是一種極具競爭力的技術(shù)，同時(shí)也是非常有發(fā)展前景的技術(shù)，在熱噴涂技術(shù)中，主要采用等離子噴涂技術(shù)和超音速火焰噴涂技術(shù)來制備非晶結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)涂層。
椐美國專利U.S.P.5,939,146報(bào)道，E.J.Lavernia等人首先用高能球磨將微米級粉末球磨成納米尺寸粉末，然后進(jìn)行超音速火焰噴涂，就可制備成顯微組織更為精細(xì)的納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層的厚度可以達(dá)到幾毫米。
Nanostructured Materials，1998，10(2)169-178報(bào)道，H.G.Jiang等人分別用甲醇和液氮為介質(zhì)對Inconel718合金分別進(jìn)行高能球磨制備成納米結(jié)構(gòu)的粉末，所的粉末經(jīng)過干燥后進(jìn)行超音速火焰噴涂，得到了納米結(jié)構(gòu)涂層。用等溫?zé)崽幚矸椒ㄑ芯苛藘煞N方法(甲醇和液氮介質(zhì))制備的粉末和熱噴涂層的熱穩(wěn)定性，所有的納米晶Inconel718合金粉末和涂層都表現(xiàn)出了良好的熱穩(wěn)定性，在1273K的溫度下處理60分鐘，晶粒仍保持在100nm左右。
以上方法制備出來的是單一的納米結(jié)構(gòu)涂層，具有優(yōu)良的耐磨損性能，但耐腐蝕性能一般。
J.Thermal Spray Technology，1999，8(3)399-404報(bào)道，Mccartney D.J.用超音速火焰噴涂方法噴涂兩種Ni-Cr-Mo-B合金粉末，制備出這兩種合金的非晶涂層，并研究了它們的耐腐蝕特性，結(jié)果表明兩種合金涂層在0.5mol/LH2SO4溶液中均具有良好的耐蝕性，兩種合金涂層的腐蝕電位約為-300mV(相對飽和甘汞電極)，鈍化電流密度約為1mA/cm2。但由于這種涂層是單一的非晶結(jié)構(gòu)，雖然具有良好的耐腐蝕性能，但耐磨性能不夠理想。

發(fā)明內(nèi)容
針對過去利用熱噴涂技術(shù)制備單一的非晶涂層或納米結(jié)構(gòu)涂層存在的問題，本發(fā)明利用納米化技術(shù)提高材料耐磨性能、非晶化技術(shù)提高材料耐蝕性能的特點(diǎn)，將納米化技術(shù)與非晶化技術(shù)相結(jié)合，提出由非晶態(tài)合金粉末作為噴涂粉末，利用超音速火焰噴涂方法，制備出非晶涂層，然后對該涂層進(jìn)行熱處理使之產(chǎn)生部分晶化，形成既含有非晶結(jié)構(gòu)又含有納米結(jié)構(gòu)的非晶納米晶復(fù)合涂層，這種涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐磨綜合性能。
本發(fā)明選擇鐵基多元素非晶態(tài)合金粉末作為噴涂材料，其成分按重量百分比計(jì)為0.2～1.5％wtC、2～8％wt Si、3～9％wt B、2～10％wt Cr、4～17％wt W、2～13％wtMo、2～11％wt Ni、0～2％wt Y、余下的是Fe，粉末的粒度范圍是15～45微米。
本發(fā)明采用超音速火焰噴涂涂層，然后在非氧化性氣氛下對噴涂層進(jìn)行熱處理。噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力0.7～1.0MPa、丙烷壓力0.5～0.7MPa、空氣壓力0.5～0.7MPa、氧氣流量150～350L/min、丙烷流量50～90L/min、空氣流量300～500L/min、送粉速度20～100g/min、噴涂距離210mm。在非氧化性氣氛下對噴涂層進(jìn)行熱處理，參數(shù)為溫度500～800℃、時(shí)間1～4小時(shí)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的制備鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層的方法，先用超音速火焰噴涂制備出非晶涂層，然后用熱處理方法使涂層發(fā)生部分晶化，最終得到了既含有非晶又含有納米晶的復(fù)合涂層，這種涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕耐磨損綜合性能。而原有的技術(shù)制備出的涂層要么是單一的非晶結(jié)構(gòu)，要么是單一的納米結(jié)構(gòu)。


圖1為超音速火焰噴涂鐵基涂層的X射線衍射圖譜圖2為超音速火焰噴涂鐵基涂層在600℃熱處理2小時(shí)后的X射線衍射圖譜具體實(shí)施方式
實(shí)施例1鐵基多元素非晶態(tài)合金粉末的成分按重量百分比計(jì)為0.9％C、3.8％Si、4.1％B、6.5％Cr、11.5％W、6.7％Mo、4.5％Ni、0.2％Y、余下的是Fe，粉末的粒度范圍是15～45微米。先用超音速火焰噴涂在0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體上制備涂層，然后再對涂層進(jìn)行熱處理。噴涂參數(shù)為氧氣壓力1.0MPa、丙烷壓力0.7MPa、空氣壓力0.7MPa、氧氣流量240L/min、丙烷流量68L/min、空氣流量375L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離210mm，熱處理參數(shù)為溫度為600℃、時(shí)間2小時(shí)。
實(shí)施例2選擇鐵基多元素非晶態(tài)合金粉末的成分按重量百分比計(jì)為0.5％C、2.8％Si、5.9％B、4.5％Cr、14.5％W、4.7％Mo、3.5％Ni、0.5％Y、余下的是Fe，粉末的粒度范圍是15～45微米。先用超音速火焰噴涂在0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體上制備涂層，然后再對涂層進(jìn)行熱處理。噴涂參數(shù)為氧氣壓力1.0MPa、丙烷壓力0.7MPa、空氣壓力0.7MPa、氧氣流量240L/min、丙烷流量68L/min、空氣流量375L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離210mm，熱處理參數(shù)為溫度為600℃、時(shí)間1.5小時(shí)。
實(shí)施例3選擇鐵基多元素非晶態(tài)合金粉末的成分按重量百分比計(jì)為1.1％C、5.5％Si、3.2％B、7.8％Cr、10.5％W、8.7％Mo、9.3％Ni、1.2％Y、余下的是Fe，粉末的粒度范圍是15～45微米。先用超音速火焰噴涂在0Cr13Ni5Mo不銹鋼基體上制備涂層，然后再對涂層進(jìn)行熱處理。噴涂參數(shù)為氧氣壓力1.0MPa、丙烷壓力0.7MPa、空氣壓力0.7MPa、氧氣流量240L/min、丙烷流量68L/min、空氣流量375L/min、送粉速度60g/min、噴涂距離210mm，熱處理參數(shù)為溫度為600℃、時(shí)間3小時(shí)。
選擇實(shí)施例1進(jìn)行涂層分析。
涂層的晶體結(jié)構(gòu)圖1是超音速火焰噴涂鐵基涂層的X射線衍射圖譜，從圖中可以看出涂層是典型的非晶涂層，沒有尖銳的衍射峰。圖2是經(jīng)過600℃、2個(gè)小時(shí)熱處理后，涂層的X射線衍射圖譜，從圖中可以看出涂層中析出了一些結(jié)晶物質(zhì)，對照標(biāo)準(zhǔn)衍射圖譜可以查出涂層含有Cr15.58Fe7.42C6和Fe5C2兩種物質(zhì)。噴涂粉末材料中含有相當(dāng)數(shù)量的W、Mo、Ni、Si、B元素，而析出的晶態(tài)物質(zhì)不含有這些元素，可以推斷這些元素是以非晶態(tài)存在的。用衍射峰的半高寬經(jīng)過謝樂公式(其中常數(shù)取0.89，λ取1.542)分別計(jì)算了這兩種物質(zhì)的平均晶粒尺寸Cr15.58Fe7.42C6平均晶粒為15.88nm，F(xiàn)e5C2平均晶粒為19.62nm。采用本發(fā)明的方法制備出了鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層。
涂層的硬度本發(fā)明用Leica大型顯微硬度計(jì)測量了所得涂層硬度，超音速火焰噴涂鐵基非晶涂層的顯微硬度達(dá)到1014.3HV，經(jīng)過600℃、2個(gè)小時(shí)熱處理后，涂層的顯微硬度大幅度升高，達(dá)到1524.3HV。
涂層的耐腐蝕采用美國產(chǎn)的Potentionstat/Galvanostat Model 273型恒電位儀測定了涂層的電化學(xué)特性，試樣的大小為25mm×12mm，涂層在3.5％的NaCl溶液中浸泡10min后進(jìn)行電化學(xué)動電位掃描，掃描速度為1mv/s，參比電極為飽和甘汞電極，對比試樣為0Cr13Ni5Mo不銹鋼。超音速火焰噴涂非晶涂層的腐蝕電流是0.546uA/cm2，經(jīng)過600℃、2個(gè)小時(shí)熱處理后，非晶納米晶復(fù)合涂層的腐蝕電流是3.307uA/cm2，而0Cr13Ni5Mo不銹鋼的腐蝕電流是8.724uA/cm2，可以發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱處理形成的非晶納米涂層的腐蝕電流有所增大，耐腐蝕性能有所下降，但仍遠(yuǎn)好于0Cr13Ni5Mo不銹鋼。本發(fā)明所制備的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。
涂層的耐磨性在西德OPTIMEL公司產(chǎn)的SRV高溫磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫?zé)o潤滑摩擦磨損試驗(yàn)，運(yùn)動形式為往復(fù)運(yùn)動，接觸形式為點(diǎn)式接觸。圓柱試樣尺寸為Φ24mm×7.88mm，其工作面為Φ24mm，對磨球試樣為Φ10mm的G8硬質(zhì)合金，硬度80～90HRC，振幅為0.8mm，載荷為10N，頻率是10Hz，時(shí)間為5min，對比試樣為0Cr13Ni5Mo不銹鋼。超音速火焰噴涂非晶涂層的磨損失重量為30.701ug，經(jīng)過600℃、2個(gè)小時(shí)熱處理后，非晶納米晶復(fù)合涂層的磨損失重量為0.601ug，而0Cr13Ni5Mo不銹鋼的磨損失重量為39.9ug。可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明制備的鐵基非晶納米晶復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。
權(quán)利要求
1.一種高耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶涂層，其特征在于，噴涂材料的成分按重量百分比計(jì)為0.2～1.5％wtC、2～8％wt Si、3～9％wt B、2～10％wt Cr、4～17％wtW、2～13％wt Mo、2～11％wt Ni、0～2％wt Y、余下的是Fe，粉末的粒度范圍是15～45微米。
2.權(quán)利要求1高耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶涂層的制備方法，采用超音速火焰噴涂涂層，噴涂工藝參數(shù)為氧氣壓力1.0MPa、丙烷壓力0.7MPa、空氣壓力0.7MPa、氧氣流量150～350L/min、丙烷流量50～90L/min、空氣流量300～500L/min、送粉速度20～100g/min、噴涂距離210mm，其特征在于，在非氧化性氣氛下對噴涂層進(jìn)行熱處理，熱處理參數(shù)為溫度500～800℃、時(shí)間1～4小時(shí)。
全文摘要
一種高耐蝕耐磨鐵基非晶納米晶涂層及制備方法，涉及鐵基合金涂層，特別是涉及非晶納米晶復(fù)合涂層的制備。本發(fā)明針對過去利用熱噴涂技術(shù)制備單一的非晶涂層或納米結(jié)構(gòu)涂層存在的問題，利用納米化技術(shù)提高材料耐磨性能、非晶化技術(shù)提高材料耐蝕性能的特點(diǎn)，將納米化技術(shù)與非晶化技術(shù)相結(jié)合，提出由鐵基多元素非晶態(tài)合金粉末作為噴涂粉末，利用超音速火焰噴涂方法，制備出非晶涂層，然后用熱處理方法使其轉(zhuǎn)變?yōu)榧群蟹蔷ЫY(jié)構(gòu)又含有納米結(jié)構(gòu)的非晶納米晶復(fù)合涂層，這種涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕和耐磨損綜合性能。
文檔編號C22C45/02GK1730714SQ20051008636
公開日2006年2月8日 申請日期2005年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月7日
發(fā)明者樊自拴, 孫冬柏, 孟惠民, 俞宏英, 王旭東 申請人:北京科技大學(xué)