一種新型韌性顆粒強(qiáng)化的鐵基非晶基復(fù)合涂層的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種新型韌性顆粒強(qiáng)化的鐵基非晶基復(fù)合涂層，以鐵基非晶合金粉末和韌性金屬粉末的機(jī)械復(fù)合粉末為原料，其中鐵基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的雜質(zhì)組成：Cr10.0-17.0；Mo12.0-20.0；B4.0-8.0；C10.0-18.0；Y0.0-5.0；Fe余量（原子百分比）；韌性金屬粉末可以采用：不銹鋼粉末、鎳基金屬粉末、鈷基金屬粉末、鋁基金屬粉末或銅基合金粉末；該涂層采用超音速火焰噴涂技術(shù)制得。本發(fā)明獲得的鐵基非晶基復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低，具有較高的韌性以及與金屬基材良好的結(jié)合強(qiáng)度。該復(fù)合涂層水力及油氣田開發(fā)設(shè)施、管道運(yùn)輸、船舶甲板等諸多工業(yè)領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種新型韌性顆粒強(qiáng)化的鐵基非晶基復(fù)合涂層
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鐵基非晶基復(fù)合涂層以及制備該復(fù)合涂層的方法，屬于復(fù)合涂層領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]超音速火焰噴涂(HVOF)是上世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種噴涂技術(shù)，主要利用燃燒室末端的拉瓦爾曲線設(shè)計(jì)，使得燃燒室壓力增加，通過該處的火焰流火的數(shù)倍于音速的速度，火焰溫度達(dá)到2500°C。超音速火焰噴涂制備的涂層孔隙率低、硬度高，涂層厚度可達(dá)數(shù)_，因此在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用。超音速噴涂所用的粉末材料大多采用氣體霧化法獲得，氣體霧化法是主要利用高速氣流和高速度沖擊液態(tài)金屬流，使其霧化成小液滴，隨后凝固成粉末。所得粉末尺寸比較集中，粉末獲得率高，球形化程度好，目前熱噴涂用的非晶合金粉末大多采用氣體霧化法制得。
[0003]非晶合金涂層，尤其是成本相對(duì)低廉的鐵基非晶合金涂層，具有非常好的物理和化學(xué)性能，如超高的硬度和極佳的耐磨抗腐性能，因此在表面工程領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。然而單一的鐵基非晶合金涂層與金屬基體表現(xiàn)出相對(duì)較低的結(jié)合強(qiáng)度以及其本征脆性，這不僅影響了其服役性能與使用壽命，更極大地限制了其工業(yè)應(yīng)用。因此開發(fā)韌性的高結(jié)合強(qiáng)度的非晶合金基涂層就顯得意義重大。目前關(guān)于不銹鋼顆粒增強(qiáng)型鐵基非晶基復(fù)合涂層及其力學(xué)性能的研究在國際上尚未見到公開報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種韌性的，與金屬基體具有良好結(jié)合強(qiáng)度的鐵基非晶基復(fù)合涂層，以解決目前單相鐵基非晶合金涂層結(jié)合強(qiáng)度低，延展性差的缺點(diǎn)。同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種新型高結(jié)合強(qiáng)度鐵基非晶基復(fù)合涂層的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種新型韌性顆粒強(qiáng)化的鐵基非晶基復(fù)合涂層，以鐵基非晶合金粉末為初始粉末，加入韌性金屬粉末，經(jīng)過低能球磨制成復(fù)合粉末，以其為原料采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備鐵基非晶基復(fù)合涂層，其中，所述韌性金屬粉末采用:不銹鋼粉末、鎳基金屬粉末、鈷基金屬粉末，鋁基金屬粉末，銅基金屬粉末中的一種或多種混合粉；所述鐵基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的雜質(zhì)組成(原子百分比):
[0007]Crl0.0 ~17.0 ;
[0008]Mo 12.0 ~20.0 ;
[0009]C10.0 ~18.0 ;
[0010]Β4.0~8.0;
[0011]Υ0.0-5.0 ；
[0012]Fe 余量。
[0013]優(yōu)選的，所述不銹鋼粉材 料為316，316L或304 ;所述鎳基金屬粉末材料為NiCrAl，NiAl，NiCr，NiP或純Ni ;所述鈷基金屬粉末材料為CoNi，CoAl或純Co ;所述鋁基金屬粉末材料為AlNi ;所述銅基金屬粉末材料為CuNi，CuCo或純Cu。
[0014]優(yōu)選的，所述鐵基非晶合金粉末用超聲氣體霧化技術(shù)制備，其粒徑范圍為20-55 μ m,粉末為完全非晶態(tài)。
[0015]優(yōu)選的，所述韌性金屬粉末的粒徑范圍為20-55 μ m，粉末為晶態(tài)。
[0016]優(yōu)選的，所述韌性金屬粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0-30%。
[0017]優(yōu)選的，所述復(fù)合涂層的孔隙率低于1%。
[0018]優(yōu)選的，所述復(fù)合涂層與金屬基材的結(jié)合強(qiáng)度大于40MPa。
[0019]優(yōu)選的，所述復(fù)合涂層的彎曲斷裂應(yīng)變達(dá)到0.73%以上。
[0020]優(yōu)選的，所述復(fù)合涂層采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備，所用的噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量20-261/h，氧氣流量30-36m3/h，噴涂距離200_350mm，送粉速率20_40g/min。
[0021]本發(fā)明的有益效果如下:
[0022]I)本發(fā)明選用了一種的具有高硬度的鐵基非晶成分，非金屬元素C，B, Si使得其具有良好的玻璃形成能力及高硬度，該合金成本低廉，易于工業(yè)化生產(chǎn)；另外，制備的非晶粉末具有非常好的流動(dòng)性，很適合利用噴涂工藝制備涂層。
[0023]2)本發(fā)明選用韌性金屬粉末作為韌性增強(qiáng)相，不銹鋼粉末(316，316L，304等)、鎳基金屬粉末(NiCrAl，NiAl，NiCr，NiP,純Ni等)、鈷基金屬粉末(CoNi，CoAl，純Co等)，鋁基金屬粉末(AlNi等)，銅基金屬粉末(CuNi，CuCo，純Cu等)中的一種或多種混合粉，熔點(diǎn)相對(duì)噴涂火焰溫度較低，在高應(yīng)變率下具有很好的塑性變形能力，能夠充分變形形成致密的涂層結(jié)構(gòu)。由于噴涂火焰溫度高于粉末顆粒熔點(diǎn)，這些韌性金屬粉末在噴涂過程中能與非晶合金粉末發(fā)生冶金結(jié)合，增強(qiáng)涂層聚合力，且在涂層在經(jīng)受沖擊發(fā)生變形時(shí)，能阻止裂紋擴(kuò)展，自身發(fā)生塑形變形吸收部分沖擊功，提高整體涂層的變形能力和抗沖擊能力。
[0024]3)本發(fā)明所獲得的鐵基非晶涂層，在保持傳統(tǒng)非晶合金涂層高硬度的基礎(chǔ)上，將涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度提高到40MPa以上，斷裂應(yīng)變達(dá)到0.73%以上。優(yōu)異韌性及與基體高的結(jié)合強(qiáng)度使這種復(fù)合涂層在船舶、水力及油氣田開發(fā)設(shè)施、管道運(yùn)輸、艦船甲板等領(lǐng)域有著極大的應(yīng)用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為采用316L合金粉末，超音速火焰噴涂技術(shù)制備的單相鐵基非晶合金涂層和鐵基非晶基復(fù)合涂層的X射線衍射結(jié)果圖；
[0026]圖2為超音速火焰噴涂技術(shù)制備的鐵基非晶基復(fù)合涂層的掃描電子顯微鏡(SEM)截面形貌圖；
[0027]圖3為單相鐵基非晶合金涂層以及含有不同316L質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵基非晶基復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度數(shù)據(jù)；
[0028]圖4為超首速火焰噴涂技術(shù)制備的單相鐵基非晶合金涂層和鐵基非晶基復(fù)合涂層的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線圖。 【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。[0030]實(shí)施例1
[0031]首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，合金成分為Fe48.5Mol3.5Crl5.3Y2C14.5B6.2 (at.%)，將母合金放入霧化爐內(nèi)，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%的316L不銹鋼粉末，混合在非晶合金粉末中，經(jīng)過低能球磨均勻混合，制成復(fù)合粉末原料。所述316L不銹鋼粉末為市售產(chǎn)品，粉末粒徑為20-55um。
[0032]采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備鐵基非晶基復(fù)合涂層，具體噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量201/h—1，氧氣流量361113/!!-1,噴涂距離300mm，送粉速率ZSg/min—1。如圖1所示，所制備的非晶基復(fù)合涂層主體仍為非晶結(jié)構(gòu)，晶化峰為不銹鋼粉末特征峰。
[0033]該涂層采用316L作為增韌相，所制備的鐵基非晶基復(fù)合涂層，結(jié)構(gòu)致密，孔隙率低于1%，如圖2a所示。
[0034]利用維氏顯微硬度計(jì)測量了該復(fù)合涂層的硬度值，所施壓力為300g，持續(xù)時(shí)間為10s，每個(gè)樣品測試不同區(qū)域的10個(gè)數(shù)值，取平均值。涂層硬度達(dá)到830HV。
[0035]用ASTMC633標(biāo)準(zhǔn)方法測試鐵基非晶基復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)該鐵基非晶基復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到44MPa，是單相非晶合金涂層結(jié)合強(qiáng)度的1.7倍，如圖3所示。
[0036]用三點(diǎn)彎曲法獲得鐵基非晶基復(fù)合涂層的應(yīng)力應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)該鐵基復(fù)合非晶涂層的斷裂應(yīng)變達(dá)到0.73% (圖4所示)，是單相鐵基非晶合金涂層的1.8倍，相應(yīng)的斷裂功也由從215J/m2提高到310J/m2。
[0037]實(shí)施例2
[0038]該實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于:
[0039](1)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層含有的316L不銹鋼粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，如圖2b所示；
[0040](2)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層的顯微硬度為794Hv ；
[0041](3)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到45MPa，如圖3所示；
[0042](4)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層的彎曲應(yīng)變達(dá)到0.90%，如圖4所示。
[0043]實(shí)施例3
[0044]該實(shí)施例與實(shí)施例1不同之處在于:
[0045](1)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的鎳基金屬粉末(Crl7A15，Ni余量)；
[0046](2)本實(shí)施例噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量221/h-11，氧氣流量361113/^1,噴涂距離350mm,送粉速率 ZZg/mirf1 ；
[0047](3)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層結(jié)合強(qiáng)度為46MPa ；
[0048](4)本實(shí)施例制備的復(fù)合涂層孔隙率低于0.7%。
[0049]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該知曉的是，本發(fā)明中所使用的用于強(qiáng)化的韌性顆粒并不僅限于實(shí)施例中的316L不銹鋼粉末和鎳基金屬粉末(Crl7A15，Ni余量)。不銹鋼粉末(316，316L，304等)、鎳基金屬粉末(NiCrAl，NiAl, NiCr，NiP^Ni等)、鈷基金屬粉末(CoNi，CoAl，純Co等)，鋁基金屬粉末(AlNi等)，銅基金屬粉末(CuNi，CuCojife Cu等)都具有較好的延展性和韌性，且融化溫度低于噴涂火焰溫度，在高應(yīng)變率下能夠充分變形形成致密的涂層結(jié)構(gòu)，與非晶合金粉末發(fā)生冶金結(jié)合，增強(qiáng)涂層聚合力，且在涂層在經(jīng)受沖擊、變形時(shí)，能阻止裂紋擴(kuò)展，自身發(fā)生塑形變形吸收部分沖擊功，提高整體涂層的變形能力和抗沖擊能力。不銹鋼粉末(316，316L，304等)、鎳基金屬粉末(NiCrAl，NiAl，NiCr，NiP,純Ni等)、鈷基金屬粉末(CoNi，CoAljifeCo等)，鋁基金屬粉末(AlNi等)，銅基金屬粉末(CuNi，CuCo,純Cu等)都可以被采用作為韌性增強(qiáng)顆粒，用以提高鐵基非晶基復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度，延展性和韌性。
[0050]另外，本發(fā)明中所采用的鐵基非晶合金粉末并不限定在上述實(shí)施例中的幾種，其中的元素組分及含量可根據(jù)具體需要選擇，本發(fā)明中，各元素的組分滿足下述范圍均可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)效果。具體為:其由如下各組分和不可避免的雜質(zhì)組成(原子百分比):
[0051]Crl0.0 ~17.0;
[0052]Mo 12.0 ~20.0 ;
[0053]C10.0 ~18.0 ;
[0054]B4.0 ~8.0 ;
[0055]Y0.0-5.0 ；
[0056]Fe 余量。
[0057]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明保護(hù)的范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍·之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種新型韌性顆粒強(qiáng)化的鐵基非晶基復(fù)合涂層，其特征在于:以鐵基非晶合金粉末為初始粉末，加入韌性金屬粉末，經(jīng)過低能球磨制成復(fù)合粉末，以其為原料釆用超音速火焰噴涂技術(shù)制備鐵基非晶基復(fù)合涂層，其中，所述韌性金屬粉末釆用:不銹鋼粉末、鎳基金屬粉末、鈷基金屬粉末，鋁基金屬粉末，銅基金屬粉末中的一種或多種混合粉；所述鐵基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的雜質(zhì)組成(原子百分比):
Crl0.0 ~17.0 ;
Mol2.0 ~20.0 ;
C10.0 ~18.0 ;
B4.0 ~8.0 ;
Y0.0-5.0 ； Fe余量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述不銹鋼粉材料為316，316L或304 ;所述鎳基金屬粉末材料為NiCrAl，NiAl，NiCr，NiP或純Ni ;所述鈷基金屬粉末材料為CoNi，CoAl或純Co ;所述鋁基金屬粉末材料為AlNi ;所述銅基金屬粉末材料為CuNi，CuCo或純Cu。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述鐵基非晶合金粉末用超聲氣體霧化技術(shù)制備，其粒徑范圍為20-55 μ m,粉末為完全非晶態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述韌性金屬粉末的粒徑范圍為20-55 μ m，粉末為晶`態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述韌性金屬粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 0-30%ο
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述復(fù)合涂層的孔隙率低于1%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述復(fù)合涂層與金屬基材的結(jié)合強(qiáng)度大于40MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述復(fù)合涂層的彎曲斷裂應(yīng)變達(dá)到0.73%以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合涂層，其特征在于:所述復(fù)合涂層采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備，所用的噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量20-261/h，氧氣流量30-36m3/h，噴涂距離200-350mm，送粉速率 20_40g/min。
10.一種制備如權(quán)利要求1-9所述的復(fù)合涂層的方法，其特征在于:包括以下步驟: 首先按所需成分用真空感應(yīng)熔煉的方法制得母合金，將母合金放入霧化爐內(nèi)，由氣體霧化技術(shù)制備非晶合金粉末，加入韌性金屬粉末，經(jīng)過低能球磨制成復(fù)合粉末，以其為原料采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備鐵基非晶基復(fù)合涂層，其中，所述韌性金屬粉末采用:不銹鋼粉末、鎳基金屬粉末、鈷基金屬粉末，鋁基金屬粉末，銅基金屬粉末中的一種或多種混合粉；所述鐵基非晶合金粉末由下述元素和不可避免的雜質(zhì)組成(原子百分比):
Crl0.0 ~17.0 ;
Mo 12.0 ~20.0 ;
C10.0 ~18.0 ;
B4.0 ~8.0 ;Y0.0-5.0 ； Fe余量； 其中，采用超音速火焰噴涂技術(shù)制備鐵基非晶基復(fù)合涂層，具體噴涂工藝參數(shù)為:煤油流量201/h—1，氧 氣流量361113/!!-1,噴涂距離300mm，送粉速率ZSg/mirT1。
【文檔編號(hào)】C23C4/12GK103866223SQ201310444641
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月26日
【發(fā)明者】柳林, 周歡, 張 誠 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)