一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應用與流程
本發明屬于材料加工工程的熱噴涂領域，具體涉及一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應用。
背景技術：
水輪機、水泵等水力機械過流部件在海洋環境中往往受到空蝕、腐蝕等因素的綜合作用，使過流部件的表面金屬流失、形成具有凸起和坑洞的蜂窩狀表面，導致水力機械的工作效率降低，使用壽命減短。目前，在過流部件表面涂覆涂層以提高工件使用性能的方法受到了人們廣泛的關注。
非晶態材料由于具有完全均一的組成，因此表現出一系列優異的物理性能、機械性能、成型性能以及化學性能，如具有高磁導率、低矯頑力、高彈性極限、優良的超塑性變形能力、良好的抗空蝕性能和耐腐蝕性能等。其中，鐵基非晶自其開發以來就受到了廣泛的關注，這是因為鐵基非晶不但具有超高的強度和硬度、優異的抗空蝕性能和耐腐蝕性能，而且由于相對豐富的資源而大大地降低了制備非晶材料的成本。但是，由于受到非晶形成能力的限制，目前大厚部件鐵基非晶仍不易制備，并且塊狀鐵基非晶合金在拉伸載荷的作用下的宏觀塑形變形能力很低，這些情況都限制了鐵基非晶的應用。
然而，若將脆性的鐵基非晶合金以涂層形式涂覆在基體表面，那么非晶合金的脆性會大大改善，而非晶合金良好的抗空蝕和耐腐蝕性能仍可以得到發揮。熱噴涂是目前制備非晶涂層最常用的工藝手段，其中超音速火焰（HVOF）噴涂由于具有高速和相對較低的溫度這兩個特征，獲得的涂層往往具有更高的結合強度、密度和硬度，同時涂層中的氧化物含量也大大降低，而這些都有利于提高熱噴涂涂層的使用性能。
采用熱噴涂工藝制備鐵基非晶涂層由于具有效率高、質量好等特點，引起了國內外學者的廣泛關注，但是由于粉末成分設計的不盡合理，所制備的非晶涂層往往含有較多的晶相。比如崔崇等利用HVOF噴涂制備了FeCrNiMoSiPB非晶涂層，涂層中含有α-Fe、Ni3P等晶相（《熱噴涂技術》 2009 1(1): 49-52）；李飛等利用HVOF噴涂制備了FeCrMoYCB非晶涂層，涂層中含有FeCr、Fe2B等晶相（《粉末冶金材料科學與工程》 2012 17(2): 202-206）；柳林等利用活性燃燒高速燃氣火焰噴涂技術制備了FeCrMnMoWSiCB非晶涂層，涂層中含有α-Fe、Fe1.88B0.12等晶相（柳林，郭瑞強，張誠；一種鐵基非晶涂層的制備方法：中國. 201010575897.2 [P]. 2010-12-07）。非晶涂層中晶體的界面往往成為空蝕、腐蝕的薄弱點，使整個涂層的性能極大降低，因此通過合理的成分設計和工藝來制備一種晶相含量極少甚至不含晶相的鐵基非晶材料具有重要的理論與實際意義。
技術實現要素：
針對上述問題，本發明提供一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應用，制備的涂層非晶含量極高，非晶結構的熱穩定性好，幾乎不含有氧化物，具有優異的抗空蝕和耐腐蝕性能、制備成本低等特點。
為了實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比范圍如下：17-23wt% Cr、2.7-4.5wt% B、0.3-1wt% C、0.5-2.5wt% Si、2-3wt% Cu、3-8wt% Ni、12-18wt% Mo、2-4wt% Co、余量為Fe。
所述的鐵基非晶粉末優選各元素重量百分比為：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
所述的一種鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
1）將原料加入感應電磁爐加熱熔化；
2）對熔化的金屬液進行水霧化，然后干燥、篩分粉末。
步驟1）中，所述的原料為塊體材料，包括低碳鉻鐵、高碳鉻鐵、鈷、電解銅、電解鎳、硅鐵、鉬鐵、硼鐵、碳化硼和鐵。
步驟1）中加熱熔化的溫度范圍為2300-2400 ℃，優選2350 ℃；
步驟1）中原料放置時，將熔點高的原料放在下部、熔點低的放在上部，可以有效利用下部不易散發的熱量，同時降低熔點低的材料中元素的燒損。
步驟2）中，霧化氣壓為8-10 MPa，優選10 MPa。
所述的一種鐵基非晶粉末的制備方法，具體為：
1）將上述塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時；
3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備抗空蝕、耐腐蝕鐵基非晶涂層中的應用。
上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備抗空蝕、耐腐蝕鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7-0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量1840-2160 scfh，煤油流量6.2-7.4 gph，噴涂距離280-380 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s；
上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，設置的超音速火焰噴涂設備的參數優選為氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。可獲得孔隙率低，硬度高，抗空蝕、耐腐蝕性能優異的涂層，適用于核潛艇的關鍵部件、飛機發動機零部件、航空發動機葉片的凸臺等高要求構件，特別是在惡劣的海洋環境中更顯出其優異性，易于產業化，應用前景廣闊。
在該鐵基非晶的成分中，B、C作為類金屬元素，可以降低非晶合金的臨界冷卻速度，有利于非晶相的形成；Si起提高熔融金屬流動性和體系非晶形成能力的作用；Cr的添加可以有效提高所制備的非晶涂層的耐腐蝕性能；Co可以提高體系的玻璃形成能力，拓寬非晶形成范圍；Ni的加入可以提高非晶的熱穩定性，同時還有利于改善非晶涂層的韌性和鈍化性能；加入適量的Mo可以有效改善涂層在海洋環境中的耐點蝕性能；Cu可以使涂層具有極強的耐微生物腐蝕性能。此外，超音速火焰噴涂制備的該鐵基非晶涂層硬度高、均勻性好、孔隙率低、結合強度高，顯現出優異的抗空蝕性能。因此，上述所述的一種鐵基非晶涂層，在海洋環境中兼具優異的抗空蝕性能和耐腐蝕性能，特別適用于各種水力機械過流部件。
有益效果：本發明的一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應用，具有以下優點：
1. 通過調配添加原子的種類和各原子之間的比例，使得原子間具有較大程度的原子錯配，并且這些半徑不同的原子容易形成比較緊密的無序堆積狀態，這會導致體系自由體積的減少、阻礙元素的擴散，提高體系的非晶形成能力和穩定性；
2. 采用超音速火焰噴涂技術，在基體表面可以制備出孔隙率≤2%的致密鐵基非晶涂層；
3. 制備得到的鐵基非晶涂層的非晶相含量在95%以上，結合強度≥60 MPa，顯微硬度在700 HV0.3以上；
4. 制備得到的鐵基非晶涂層具有優異的耐腐蝕性能，在3.5wt% NaCl溶液中的腐蝕電位約為-400 mV，高于鍍鉻層；腐蝕電流密度約為10 μA·cm-2，小于鍍鉻層。
5. 制備得到的鐵基非晶涂層具有優異的抗空蝕性能，在海洋環境中的抗空蝕性能優于1Cr18Ni9Ti。
6. 制備得到的鐵基非晶涂層熱穩定性高，非晶相開始晶化溫度達到600 ℃以上。
附圖說明
圖1為實施例1制備的鐵基非晶粉末和涂層的X射線衍射圖譜。
圖2為實施例1制備的鐵基非晶涂層的掃描照片。
圖3為實施例1制備的鐵基非晶涂層的顯微硬度分布圖。
圖4為實施例1制備的鐵基非晶涂層和鍍鉻層的Tafel極化曲線。
具體實施方式
根據下述的實施例，可以更好地理解本發明。然而，本領域的技術人員容易理解，實施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結果僅用于說明本發明，而不應當也不會限制權利要求書中所詳細描述的本發明。
本實施方式中采用DT2000圖像分析軟件依據灰度法測量涂層的孔隙率。采用HXD-1000TC顯微硬度計測量涂層的顯微硬度，選定載荷為300 g，載荷持續時間為15 s。采用PARSTAT 2273電化學工作站測量涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度。
實施例1
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
（1）將塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇9 MPa，然后干燥粉末3小時；
（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
（1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.75 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量1840 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。
從圖1可以看出，實施例1制備的粉末和涂層的X射線衍射光譜僅在44°左右有個饅頭峰，這說明在XRD精度內，粉末和涂層均為純的非晶相。圖2說明，采用超音速火焰噴涂工藝制備的鐵基非晶涂層具有致密的結構，孔隙率和氧化物含量較少。涂層的硬度可達700 HV0.3以上（圖3），是基體硬度（200 HV0.3左右）的3-4倍。圖4表明，在3.5wt% NaCl溶液中，實施例1制備的非晶涂層的腐蝕電位為-414 mV，高于鍍鉻層的-554 mV；而非晶涂層的腐蝕電流密度為5.199 μA·cm-2，低于鍍鉻層（14.12 μA·cm-2），因此實施例1所制備的鐵基非晶涂層具有比鍍鉻層更好的耐腐蝕性能。
實施例2
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、3.6wt% B、0.5wt% C、1.5wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
（1）將塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時；
（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
（1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。
實施例3
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、2.7wt% B、0.375wt% C、1.125wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
（1）將塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇8 MPa，然后干燥粉末3小時；
（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
（1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。
實施例4
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
（1）將塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇8 MPa，然后干燥粉末3小時；
（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
（1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量1840 scfh，煤油流量6.2 gph，噴涂距離380 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。
實施例5
一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。
鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：
（1）將塊體原料按計算的配比加入感應電磁爐，熔點高的放在下部、熔點低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）對熔化的金屬液進行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時；
（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。
所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應用，包括如下步驟：
（1）對基體表面進行預處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對基體表面進行噴砂粗化；
（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設備（JP-8000），在預處理后的基體表面上進行噴涂，噴涂的工藝參數設置為：氧氣流量2160 scfh，煤油流量7.4 gph，噴涂距離280 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉速5.5 rpm，噴槍移動速度280 mm/s。
上述實施例1~實施例5制備的鐵基非晶涂層的孔隙率、顯微硬度、在3.5wt% NaCl溶液中的腐蝕電位和腐蝕電流密度，其檢測結果如表1所示。
表1
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！