一種鐵基非晶合金、其粉末材料以及耐磨防腐涂層的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于表面工程技術領域，具體涉及一種高非晶形成能力的鐵基非晶合金、其粉末材料以及利用該粉末材料制得的耐磨防腐涂層。
【背景技術】
[0002]在能源、化工、國防、航空航天和船舶等領域中，部分設備部件長期滿負荷的在高溫、氧化、高溫腐蝕和機械磨損的惡劣環境下運行，致使這些設備部件極易遭受腐蝕和磨損而損壞，每年的經濟損失高達幾十億元。如何提高這些設備的使用性能、延長其使用壽命已成為上述行業提高企業經濟效益及增強核心競爭力急待解決的首要問題。
[0003]采用在設備基體表面噴涂金屬涂層是解決上述問題的方法之一。
[0004]與常規金屬相比，非晶合金沒有晶粒晶界，缺陷的存在，因而表現出許多優異的物理化學性能。其中，鐵基非晶合金不僅價格低廉，而且耐磨損和耐腐蝕性能優越，與常規涂層相比，用鐵基非晶合金制成的涂層具有高硬度、耐高溫、低磨損、低摩擦系數等特性。
[0005]常用的噴涂方法包括超音速火焰噴涂(High Velocity Oxygen Fuel，簡稱HVOF)、等離子噴涂、電弧噴涂、爆炸噴涂等。其中，相比于其他熱噴涂技術，利用HVOF技術制備的涂層不僅非晶含量高、氧含量低、孔隙率低、而且與基體結合強度高。
[0006]因此，近年來利用HVOF技術制備耐磨防腐的Fe基非晶/納米晶涂層成為研究的熱點。例如，美國Lawrence Livermore國家實驗室等20余家科研機構在國防部先進項目研究局(DARPA)的支持下制備了大量的適于制備鐵基非晶合金涂層的成分。如專利文獻US8480864B2 中申請保護的 Fe-Cr-Mo-C-B-Y、Fe-Cr-Mo-Mn-W-C-B-Si 等 SAM 系列牌號合金，其中子吸收能力是不銹鋼和Ni基高溫合金(C22)的7倍，是硼鋼的3倍以上。而且，其耐腐蝕性能遠優于高溫Ni基合金。該合金作為一種低成本的涂層材料時具有超高的強度，較低的摩擦系數和熱膨脹系數，優異的抗沖擊韌性及耐磨損性，以及突出的高溫紅硬性，同時還具有較好的抗高溫氧化、耐氯點蝕和抗硫化性能，適合于650°C以下寬溫區范圍內的防腐耐磨保護，因此作為結構涂層材料在上述領域具有廣闊的應用前景。在國內，鐵基非晶合金涂層的應用引起了學者們極大的興趣。例如，中科院金屬所、華中科技大學、北京理工大學、南昌航空大學、同濟大學等單位相繼開展非晶涂層的研究工作，利用HVOF技術制備出高質量的鐵基非晶涂層。
[0007]在鐵基非晶涂層的研究中，非晶形成能力和耐磨防腐性能是涂層重點關注的性能。為了提高鐵基非晶涂層的非晶形成能力和耐磨防腐性能，通常在非晶材料中添加稀土元素釔(Y)或鉺(Er)等，戰略元素鎢(W)，以及大量鉻(Cr)和鉬(Mo)元素。眾所周知，稀土元素會顯著惡化合金的韌性，不利于涂層的耐磨性能，而且價格昂貴；鎢元素是稀有的高熔點金屬，不利于熔煉或噴涂；鉻元素的提煉會對人體和環境造成傷害；鉬元素價格較為昂貴，增加原材料成本。因此，通過降低或取代上述元素，開發出具有高性能的Fe基非晶合金涂層材料具有重要的現實意義。
【發明內容】
[0008]針對上述技術現狀，本發明旨在提供一種鐵基非晶合金，該鐵基非晶合金成本低、熔點低，并且具有高的非晶形成能力，利用該鐵基非晶合金的粉末材料噴涂制得的涂層具有良好的耐磨防腐性能。
[0009]為了實現上述技術目的，本發明人通過大量實驗探索后發現，當鐵基非晶合金的化學分子式如下時，該鐵基非晶合金不僅具有良好的塑性，而且具有高的非晶形成能力，利用該鐵基非晶合金的粉末材料噴涂制得的涂層具有優異的耐磨、耐腐蝕性能:
[0010]FeaCrbNicModPeCfBgSih
[0011]式中a、b、C、d、e、f、g、h為對應原子的摩爾百分含量，并且滿足5 < b < 15，2 彡 c 彡 15，2 彡 d 彡 8，6 彡 e 彡 12，2 彡 f 彡 6，3 彡 g 彡 6，I 彡 h 彡 5，a+b+c+d+e+f+g+h=100
[0012]作為優選，6彡b彡12，進一步優選為8彡b彡10。
[0013]作為優選，4彡c彡10，進一步優選為3彡c彡5。
[0014]作為優選，2.5彡d彡6，進一步優選為3彡d彡4。
[0015]作為優選，8 ^ e ^ 11，進一步優選為9.8彡e彡10.5。
[0016]作為優選，3彡f ( 5，進一步優選為3.5彡f彡4.5。
[0017]作為優選，4.5彡g彡5.5。
[0018]作為優選，1.5彡h彡4，進一步優選為2彡h彡3.5。
[0019]本發明還提供了一種鐵基非晶合金粉末材料，是以上述鐵基非晶合金的化學分子式進行配料而制得，其制備方法包括如下步驟:
[0020](I)母合金的制備
[0021]按照所述鐵基非晶合金的上述化學分子式進行配料，得到原料，在熔煉爐中進行恪煉，冷卻后得到母合金鑄錠；
[0022]作為優選，各元素均為工業原料，并且選用FeC、FeP、FeMo, FeB等中間合金，以降低成本，同時減少原材料的揮發，獲得成分均勻的母合金。
[0023](2)非晶合金粉末的制備
[0024]將步驟(I)得到的母合金鑄錠破碎成小塊，重新熔化，得到母合金熔體，利用真空氣霧化裝置將其噴霧冷卻，得到鐵基非晶合金粉末。
[0025]作為優選，所述的噴霧過程在氬氣氛圍中進行。
[0026]作為優選，所述的非晶合金粉末的粒徑為20?50 μ m0
[0027]本發明還提供了一種基體表面的耐磨防腐涂層，是利用超音速火焰噴涂技術，噴涂氣體為氧氣與丙烷，將上述鐵基非晶合金粉末噴涂在基體表面而制得。
[0028]作為優選，所述的噴涂工藝條件為:氧氣流量25L/min，丙烷流量35L/min，送粉速率30L/min，壓縮空氣0.5MPa，噴涂距離300mm，粉末粒度分布20-50 μ m。
[0029]利用上述方法制得的耐磨防腐涂層的非晶相體積分數達85%以上，孔隙率低于1%，氧含量低于0.2%，維氏硬度達900以上。
[0030]與現有技術相比，本發明具有如下有益效果:
[0031](I)通過元素成分與各成分含量的調整，得到了一種鐵基非晶合金，其粉末材料可通過噴涂技術在基體表面制備涂層，與目前常用的不銹鋼和被廣泛研究的SAM系列牌號合金相比，該粉末材料中含有相對少量的耐腐蝕元素Cr，Mo等，并且該粉末材料中含有P元素，有利于降低材料熔點，提高塑性和非晶形成能力，并能減少氧化，適于利用熱噴涂工藝制備非晶合金涂層。
[0032](2)利用本發明的鐵基非晶合金粉末材料制得的涂層，在摻雜較少Cr、Mo等元素的情況下，仍獲得與SAM系列牌號合金相當的腐蝕電壓和腐蝕電流密度，且涂層與基體結合緊密，孔隙率低，氧含量低，維氏硬度高。優異的耐磨防腐性能和良好的工藝性，使其在能源，化工、國防、航空航天和船舶等領域具有廣闊的應用前景。
【附圖說明】
[0033]圖1是本發明實施例1中制得的非晶合金粉末的掃描電鏡圖；
[0034]圖2是本發明實施例1中制得的非晶合金粉末與同成分非晶合金帶材，以及利用該非晶合金粉末制得的非晶合金涂層的X射線衍射圖；
[0035]圖3是本發明實施例1中制得的非晶合金涂層截面的掃描電鏡圖；
[0036]圖4是本發明實施例1中制得的非晶合金涂層與45鋼的摩擦系數圖；
[0037]圖5是本發明實施例1中制得的非晶合金涂層與45鋼的磨損體積圖；
[0038]圖6是本發明實施例1中制得的非晶合金涂層，以及同成分非晶合金帶材和45鋼在3.5wt.% NaCl溶液中的極化曲線。
【具體實施方式】
[0039]下面結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0040]實施例1:
[0041]本實施例中，鐵基非晶合金的分子式為Fe63Cr8Mo3.5Ni5P10B4C4Si2.5o
[0042]該鐵基非晶合金粉末材料的制備方法如下:
[0043](I)將工業級原材料 Fe、Cr、N1、S1、FeC, FeP, FeMo, FeB 按照分子式F e63Cr8Mo3.5N i 5P10B4C4S i 2.5中的原子百分比配制原料，利用真空感應爐制備成分均勾的母合金鑄錠。
[0044](2)將得到的母合金鑄錠用砂輪磨掉表面雜質，然后置于真空氣霧化裝置中獲得鐵基非晶合金粉末。作為對比，將得到的母合金鑄錠通過單輥甩帶法，得到鐵基非晶合金帶材。<