一種陶瓷/鐵基非晶復合涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于金屬材料表面涂層的材料及制備方法，屬于金屬材料表面涂層技術領域，更具體是設計一種用于制備高耐磨陶瓷/鐵基非晶復合涂層的方法。
【背景技術】
[0002]與常規多晶金屬材料相比，非晶態合金(亦稱金屬玻璃)呈現長程無序、短程有序的結構特性，具有許多優異的力學和物理性能，如:高強度、耐腐蝕、耐磨性、良好的磁性能等，具有巨大的潛在應用前景。Fe基非晶更是由于其價格低廉成為國內外科學領域研究和關注的重要課題之一。然而，由于尺寸的限制，非晶合金的產品主要為薄帶、細絲、粉末等，難以作為結構材料得以應用。
[0003]等離子噴涂是一種材料表面強化和表面改性的技術，可以制備具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化及良好結合強度的涂層。而將非晶合金與表面涂層制備技術相結合，即采用現代先進噴涂技術制備大面積厚度可控的非晶涂層，可突破非晶合金尺寸上的限制。將非晶合金作為涂層材料，應用于材料表面技術領域，起到防護作用，或形成特種物理化學性能，拓展非晶材料的應用范圍。哈爾濱工業大學沈軍等(Materials Letters, 2012,89:229-232.)研究表明在92IA鋼表面噴涂Fe-基非晶涂層后其在H2SO4溶液中的自腐蝕電位明顯升高。Kobayashi 等(Surface and Coatings Technology, 2008, 202(12):2513-2518.)人米用等離子噴涂技術制備厚約200 μπι的鐵基非晶合金涂層，該涂層的耐磨性顯著高于基體。
[0004]但是，作為耐磨材料而言，其韌性問題(即抵抗裂紋擴展能力較差，一旦有微裂紋形成便迅速擴展導致涂層剝落)就成為非晶涂層應用的一個制約條件。采用添加第二相來改善非晶韌性是塊體非晶常用的手段。如H.C.Yim等(ActaMater, 1999，47(8):2455-2462.)采用外加難熔金屬或陶瓷顆粒促進剪切帶增殖來提高其塑性；或如J.W.Qiao等(Appl.Phys.Lett.2009, 94:151905)通過成分設計和控制合金熔體凝固產生內生晶體相來改善非晶塑性。
[0005]基于此，在非晶中添加第二相制備陶瓷-非晶復合涂層，來改善非晶涂層的韌性可進一步提高其耐磨性。然而制備得到組織均勻、成分可控的復合涂層是一難點。目前文獻報道的制備方法多是在噴涂過程中靠控制冷卻速度而得到部分非晶(Journalof the European Ceramic Society.2011，31(15):2903-2913.)。 G.Liu 等(TribolLett, 2012,46:131 - 138.)將熱噴涂的Fe基非晶涂層，在晶化溫度以上保溫，在基體中析出Fe2I^P (Fe, Cr)B相而制備金屬非晶-陶瓷復合涂層。S.Yugeswaran等(Applied SurfaceScience, 2012, 25:88460 - 8468.)在等離子噴涂Zr-基非晶過程中形成ZrO2陶瓷相，得到陶瓷-非晶復合涂層。這些制備方法的共性問題是涂層中非晶和陶瓷相比例不可控，性能波動較大。因此，實現添加第二相成分比例可控且能均勻分布于基體，對提高非晶涂層的耐磨性具有重要意義。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是針對當前技術的不足，提供一種陶瓷/鐵基非晶復合涂層的制備方法，該方法采用多路異位送粉等離子噴涂技術，將非晶粉和陶瓷粉分開送粉，這既防止非晶材料的晶化，又確保陶瓷材料的熔融；同時，噴涂工藝中采用同一噴槍，對陶瓷材料和鐵基非晶材料采用不同的槍距送粉，以確保陶瓷材料在非晶基體上均勻分布，且實現陶瓷與非晶兩相比例可以調控。本發明得到的涂層以100%鐵基非晶為基體，在其上均勻的分布著陶瓷晶體相，且陶瓷/非晶兩相比例可依據使用性能的需求而變化，二者構成非晶-陶瓷復合涂層，可實現性能上的互補，在磨損條件下高硬的陶瓷對非晶的軟化起到強化作用，而非晶的軟化會導致脆性陶瓷應力松弛，二者的互補會顯著提高涂層的韌性及耐磨性，達到延長構件使用壽命降低成本節約能源的目的。
[0007]本發明的技術方案如下:
[0008]—種陶瓷/鐵基非晶復合涂層的制備方法，該方法包括以下步驟:
[0009](I)在噴涂前對合金工件表面進行清潔化預處理；
[0010](2)對預處理好的合金工件進行噴砂粗化活化處理；
[0011](3)采用等離子噴涂技術對步驟(2)得到的經過噴砂粗化活化處理的合金工件表面進行噴涂，得到厚度為80?100微米的粘結底層；
[0012](4)采用多路異位等離子噴涂送粉技術噴涂步驟(3)得到的合金工件基體表面；其中，陶瓷粉采用槍內送粉，鐵基非晶粉槍外送粉，鐵基非晶粉的送粉口位置距離噴嘴10-16mm ;噴涂功率為28_35Kw，噴槍移動速度為6?8m/min，比氣流量為80_120L/min，鐵基非晶粉和陶瓷粉的送粉氣體為Ar氣，陶瓷粉的送粉氣流量為18-23L/min，鐵基非晶粉的送粉氣流量為10-200L/min ;最后得到陶瓷/鐵基非晶復合涂層。
[0013]所述的鐵基非晶合金粉末，其組分為:Cr為25?27%、C為2?2.5%、Mo為16?18%、B為2?2.2%，余量為Fe，所述的百分比均為質量百分比，粉末為球形、近球形或類球形粉末，粒度為100目?300目；
[0014]所述的陶瓷粉為Zr02、Al203、Cr203、WC和CrC中的一種或多種；所述陶瓷粉末形狀為球形或近球形，粉末粒徑為100?400目。
[0015]所述的步驟(3)中的粘結底層的原料為微米級的Fe-Al、N1-Al、NiCrAlY或CoCrAlY自熔性合金粉。
[0016]本發明的有益效果為:
[0017]1.本發明采用等離子多路異位送粉技術，即將陶瓷粉與非晶粉通過兩個送粉器分開送粉，可實現非晶與陶瓷共沉積到基體上，且能實現復合涂層成分比例可調控。之前的研究中多采用同一送粉器的混合送粉技術，那么由于陶瓷的熔點較高而非晶熔點較低，非晶與陶瓷同時送粉造成非晶在凝固過程中易析出晶體相，往往不能得到完全的非晶相，且析出的晶體相比例難以控制。采用本發明的多路異位送粉技術可以保證陶瓷/鐵基非晶復合涂層中得到100%鐵基非晶，在其上均勻的分布著陶瓷晶體相。且通過調整噴涂過程中槍距和送粉氣體流量，可實現根據應用的條件，調控復合材料中陶瓷相與非晶相的體積分數。使制備得到的復合涂層具備寬泛的成分范圍，因而可以得到不同性能的陶瓷-非晶復合涂層，更易實現工程應用。
[0018]2.本發明提供的陶瓷-非晶復合涂層具有較單一的非晶涂層(或單一的陶瓷涂層)更高的硬度和耐磨性能。非晶合金雖然具有較高的強度和耐磨性能，但是由于其韌性差，作為涂層材料而言，一旦局部出現高應力導致微裂紋產生后，裂紋迅速擴展，易造成涂層的剝落。當添加陶瓷相后，可提高非晶的韌性，抑制裂紋的擴展，從而達到提高硬度和耐磨性能的目的。本發明的實施例結果也表明當非晶基體中添加20%的陶瓷后，復合涂層的硬度值較單一的非晶涂層提高18.2%，較單一的ZrO2陶瓷涂層提高69.4%。復合涂層的耐磨性能也得到了提高，當復合涂層中非晶與陶瓷的比例為4:1時，復合涂層的磨損失重量較單一的非晶涂層提高了 66.7%，較單一的Zr02陶瓷涂層提高184.7%。
【附圖說明】
[0019]圖1:實施例1中等離子多路異位送粉制備陶瓷/非晶復合涂層示意圖；
[0020]圖2:實施例1中Zr02/Fe-基非晶復合涂層的200倍微觀形貌(SEM)圖；
[0021]圖3:實施例1-3中Fe基非晶合金粉末和Zr02/Fe_基非晶復合涂層的X射線衍射(XRD)圖;
[0022]圖4:實施例5中ZrO2涂層，Fe-基非晶涂層以及ZrO 2/Fe-基非晶復合涂層的硬度值
[0023]圖5:實施例6中ZrO2涂層，Fe-基非晶涂層以及ZrO 2/Fe-基非晶復合涂層的磨損失重量比較
【具體實施方式】
[0024]為了充分、清楚地了解本發明的目的、特征和效果，以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，但是發明的保護范圍不限于下屬的實施例。
[0025]實施例1:基體以45#鋼，復合涂層中Fe-基非晶和2抑2陶瓷的質量比為4:1為例。
[0026]本發明的實施例采用以下技術條件:
[0027]1.在噴涂前對合金工件表面除銹、除氧化皮、除油等清潔化處理、干燥備用；
[0028]2.對預處理好的合金工件進行噴砂粗化活化處理；目的是去除基體表面的油污等雜質，提高基體的粗糙度，有利于涂層與基體產生良好的機械咬合，增大涂層與基體之間的結合面積，從而達到提高涂層與基體的結合強的目的；
[0029]3.為了增加涂層與基體的結合強度，在上步得到的經過噴砂粗化活化處理的合金工件進行等離子噴涂，原料為微米級的N1-Al粉，得到的噴涂底層，厚度為100 μπι ;
[0030]4.利用等離子噴涂槍并采用多路異位送粉技術實現ZrO2陶瓷與Fe-基非晶同時沉積噴涂在經過上步得到的有噴涂底層的45#鋼工件基體表面。等離子多路異位送粉技術，如圖1所示。所述等離子多路異位送粉技術:噴涂時首先在陰極和陽極(噴嘴)之間產生一個直流電弧，該電弧把導入的工作氣體(氫氣)加熱電離成高溫等離子體，并從噴嘴噴出，形成等離子焰，Fe基非晶粉末和陶瓷粉末由送粉氣體送入等離子焰中，由于ZrO2熔點較高，所以采用槍內送粉，以達到使其完全熔化的目的。而對于熔點較低的非晶粉末采用槍外送粉(非晶送粉位置距離噴嘴13mm(所述的噴涂距離是槍距，異位送粉陶瓷的送粉口與非晶的送粉口都在槍上，區分異位送粉是指陶瓷送粉為槍內，非晶送粉位置距離噴嘴距離13_)，相較于陶瓷送粉的位置而言，此處的送粉火焰溫度較低，有利于得到完全的非晶相。粉末在高溫的作用下熔化，并由焰流加速，噴射到基體材料上。所述的等離子噴涂技術:噴涂功率為35Kw，電流500A，電壓70V，噴槍距離工件間的噴涂距離為86mm，噴槍移動速度為6-8m/min，比氣流量為120L/min，非晶粉和陶瓷粉的送粉氣體為Ar氣，ZrO2陶瓷粉的送粉氣流量為20L/min，Fe-基非晶粉需要采用的氣流量為74L/min。(說明:根據質量(m)=