本發(fā)明涉及一種激光熔覆防腐耐磨鐵基非晶涂層的制備方法，屬于激光加工技術(shù)制備涂層材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鐵基非晶合金由于成本低廉，具有優(yōu)異的力學(xué)、抗蝕性、軟磁性、電學(xué)等性能，備受科學(xué)界的重視，有待成為航天器件、精密機(jī)械、軍工等高新技術(shù)的關(guān)鍵性材料。然而，由于鐵基非晶合金尺寸上和制備工藝上的限制，難以在工業(yè)上獲得廣泛應(yīng)用，若將其制備成涂層，不僅擁有非晶優(yōu)異的性能，并可突破塊體非晶合金材料的尺寸、室溫脆性等不足，極大拓展非晶合金材料的應(yīng)用范圍。

激光熔覆表面改性技術(shù)是制備非晶合金涂層的有效方法之一，通過(guò)激光束照射涂層材料和被熔覆的基體材料，使涂層材料和基材表面同時(shí)熔化，經(jīng)快速冷凝后在基材表面形成了具有一定厚度且性能優(yōu)于基材的熔覆層，可顯著改善基材表面的腐蝕、磨損、沖蝕、抗氧化等性能。采用激光熔覆技術(shù)在各種金屬制品表面制備不同性能、厚度可調(diào)的非晶涂層，不僅可大大提高產(chǎn)品的性能和壽命，還可節(jié)約大量的貴重金屬，從而獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前我國(guó)軍艦用雙相不銹鋼等鋼材在海水中會(huì)遭到磨損和腐蝕，在服役一定時(shí)期之后都要回到船塢進(jìn)行整修，否則會(huì)嚴(yán)重影響其防護(hù)性能。鐵基非晶合金材料由于其結(jié)構(gòu)的均勻性、不存在晶界、位錯(cuò)、沉淀相等特點(diǎn)，具有極高的耐蝕性能和耐磨性，在國(guó)防工業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，由于制備工藝對(duì)非晶涂層結(jié)構(gòu)的影響，如何制備出具有組織均勻、無(wú)缺陷、非晶相含量高、以及防腐耐磨綜合性能優(yōu)異的非晶涂層依然是一大難題。因此，開(kāi)發(fā)一種防腐 耐磨綜合性能優(yōu)異的高質(zhì)量非晶涂層材料對(duì)國(guó)防工業(yè)具有重大的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)目前激光熔覆鐵基非晶涂層易出現(xiàn)孔洞和裂紋、易開(kāi)裂、組織不均勻，以及防腐耐磨綜合性能差的不足，提供了一種利用半導(dǎo)體激光器激光熔覆技術(shù)制備防腐耐磨優(yōu)質(zhì)鐵基非晶合金涂層的方法。

本發(fā)明提出的高質(zhì)量防腐耐磨鐵基非晶涂層的制備方法，具體步驟如下：

(1)本發(fā)明采用工業(yè)純?cè)稀怏w霧化法批量制備鐵基非晶合金粉末原料。Fe非晶合金粉末通過(guò)緊耦合氣霧化法制備，由Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、C和Si元素組成。所述鐵基非晶合金組份的質(zhì)量百分比為：

Cr：17.3～19.4％

Mn：1.8～2.2％

Mo：12.9～15.8％

W：5.0～6.2％

B：2.8～4.1％

C：0.7～1.1％

Si：1.0～1.5％

其余為Fe，其總質(zhì)量滿足100％。

霧化設(shè)備主要有由感應(yīng)、加熱、霧化噴粉、粉末收集與真空系統(tǒng)組成。氬氣霧化主要工藝參數(shù)為：過(guò)熱度為100℃，真空度5Pa，霧化壓力20MPa，粉末粒度主要集中在15～50μm。

(2)采用半導(dǎo)體激光熔覆技術(shù)制備鐵基非晶涂層，以氬氣為保護(hù)氣體，304L不銹鋼作為基體材料，在基材表面預(yù)置鐵基非晶合金粉末，經(jīng)高能激光束輻照在304L不銹鋼表面獲得非晶合金涂層。激光的輸出功率為1000～2000W；所選用 的光斑寬為4～8mm，焦距370；掃描速度為8～10mm/s。

本發(fā)明所制備的鐵基非晶涂層組織均勻，無(wú)裂紋和孔洞缺陷，且具有優(yōu)異的防腐耐磨綜合性能。

本發(fā)明與已有的鐵基非晶合金涂層相比具有如下特點(diǎn)：

1)原料均為低成本的工業(yè)原料，無(wú)毒、無(wú)害，制備工藝簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)，適合用于實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)；

2)鐵基非晶涂層致密，無(wú)裂紋和孔洞缺陷，基材和熔覆層之間為良好的冶金結(jié)合；

3)具有高硬度、高耐磨性和優(yōu)異的耐腐蝕性綜合性能，維氏硬度Hv0.1最高達(dá)1180Hv。

附圖說(shuō)明

圖1為通過(guò)緊耦合氣霧化法制備的鐵基非晶合金粉末的掃描電鏡(SEM)圖；

圖2為氣霧化的鐵基非晶合金粉末和激光熔覆制備的非晶涂層的X射線衍射(XRD)圖；

圖3鐵基非晶涂層的截面掃描電鏡背散射(BSE-SEM)圖；

圖4鐵基非晶涂層的硬度曲線。

圖5鐵基非晶涂層的極化曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：本Fe基非晶合金粉末的化學(xué)成分為：Cr：17.3～19.4％；Mn：1.8～2.2％；Mo：12.9～15.8％；W：5.0～6.2％；B：2.8～4.1％；C：0.7～1.1％；Si：1.0～1.5％；其余為Fe；(質(zhì)量百分比)，總質(zhì)量滿足100％。

采用高頻真空感應(yīng)爐(石墨坩堝)及緊耦合氣霧化制粉設(shè)備制備鐵基非晶粉末。將高頻真空感應(yīng)爐腔抽真空至10^-2Pa以下，將金屬Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、C和Si分別按名義質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱取配制后，放入石墨坩堝中，待其充分熔化均勻后澆鑄。為保證元素分布均勻，將鑄錠重熔1次。將鑄錠放入氧化鋁坩堝后將其一并置于真空室，抽真空至5Pa并升溫，待合金充分熔化后，在過(guò)熱度為100℃時(shí)進(jìn)行霧化，所用霧化介質(zhì)為氬氣，氣壓為20MPa。

氣霧化法得到的鐵基非晶粉末形貌圖，如圖1所示。粉末表面光滑，多數(shù)為球狀或橢球狀，分布較為均勻，粒度范圍主要為15～50μm。粉末的X射線衍射圖(XRD)，如圖2所示，呈典型的非晶漫散射峰。

本發(fā)明采用型號(hào)為TJ-HL-T5000型半導(dǎo)體激光器，304L不銹鋼作為基體材料，在304L不銹鋼表面預(yù)置鐵基非晶合金粉末，經(jīng)高能激光束輻照在304L不銹鋼表面獲得非晶復(fù)合涂層。

激光束輻照前對(duì)基材表面進(jìn)行除銹、除油等清潔處理處理。為減小對(duì)預(yù)置層合金粉末的污染和試驗(yàn)誤差，將10mm×10mm×5mm的304L不銹鋼基材表面依次用300目、600目、1200目、1500目的水砂紙和1800目、2000目的金相砂紙進(jìn)行打磨光滑。將經(jīng)水砂紙打磨后的試樣在數(shù)控超聲波清洗器中用丙酮進(jìn)行清洗干凈。

用松香酒精將鐵基非晶合金粉末預(yù)置于所要熔覆的304L不銹鋼基體表面，預(yù)置厚度約為1mm，最后將預(yù)置好的試樣自然風(fēng)干。

對(duì)預(yù)置了鐵基非晶合金粉末層的試樣進(jìn)行單道激光熔覆加工。熔覆的工藝參數(shù)為激光的輸出功率1000W，光斑寬度6mm，掃描速度10mm/s，保護(hù)氣體為氬氣。

激光熔覆后鐵基非晶涂層的截面掃描電鏡照片，如圖3所示，涂層結(jié)構(gòu)致 密，無(wú)裂紋和孔洞缺陷，基材和熔覆層之間的結(jié)合良好。

用維氏硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度，所加載荷為100g，加載15s，平均顯微硬度值取15次測(cè)量的平均值，如圖4所示。非晶涂層的硬度值在980～1180Hv范圍，遠(yuǎn)高于基體304L不銹鋼。

鐵基非晶涂層的耐磨性采用UMT2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，測(cè)試時(shí)所用載荷為30N，頻率為1Hz，接觸方式為點(diǎn)接觸、干摩擦，摩擦副為直徑為6mm的Al₂O₃小球。測(cè)定鐵基非晶涂層的摩擦系數(shù)為0.61，非晶涂層的磨損量約為基體304L不銹鋼的四分之一。

鐵基非晶涂層的腐蝕特性采用電化學(xué)工作站測(cè)定。電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，分別為輔助電極(鉑片電極)，參比電極(飽和甘汞電極)，工作電極(試樣)。掃描速度為10mV/s，初始電位為-2.5V，結(jié)束電位為2V。電化學(xué)腐蝕中的腐蝕液為人工模擬海水(3.5％NaCl溶液)，獲得的極化曲線如圖5所示，自腐蝕電位為-0.81V，存在明顯的鈍化區(qū)，鈍化電流為3.96×10^-5A·cm^-2，可見(jiàn)該涂層具有良好的耐腐蝕性。

實(shí)施例2：本實(shí)施方式與實(shí)施例1的不同點(diǎn)為：?jiǎn)蔚兰す馊鄹驳墓に噮?shù)為2000W，光斑寬度6mm，掃描速度10mm/s。其它與實(shí)施列1相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的涂層結(jié)構(gòu)致密，無(wú)裂紋和孔洞缺陷，基材和熔覆層之間的結(jié)合良好，耐磨和耐腐蝕性能無(wú)顯著變化。

實(shí)施例3：本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同點(diǎn)為：?jiǎn)蔚兰す馊鄹驳墓に噮?shù)為2000W，光斑寬度8mm，掃描速度8mm/s。其它與實(shí)施列1相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的涂層結(jié)構(gòu)致密，無(wú)裂紋和孔洞缺陷，基材和熔覆層之間的結(jié)合良好，耐磨和耐腐蝕性能無(wú)顯著變化。