一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有低磁高致密的新型鐵基非晶涂層的制備方法，以Slater-Pauling磁性曲線為基礎，開發出低磁鐵基非晶合金新成分Cu：6.8~9.6%；Cr:14.8~15.8%；Mo:24.5~25.4%；C:3.5%；B:1%；Y:2.3~3.4%，其余為Fe。將該成分的鐵基非晶合金采用工業氣霧化技術制備成粉末原料，采用活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)火焰噴涂制備非晶涂層。本發明提供的鐵基非晶涂層制備工藝接近實際工業化水平，工藝可控、成本低廉，具有高致密度、低磁性、高硬度、耐磨等優點，解決了鐵基非晶涂層孔隙率高、易磁化以及成本高的缺點，在電力、艦船、油田等領域中具有非常大的應用潛力。
【專利說明】 一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及非晶合金涂層材料，具體涉及一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法。
【背景技術】
[0002]鐵基塊體非晶合金具有高強度、高耐磨性、優異的耐腐蝕性，應用前景可觀。鐵基非晶合金的主要構成元素是過渡金屬和類金屬，成本低廉。作為一種新型高性能金屬工程材料，三維大尺寸的Fe基非晶合金材料的制備及其應用技術，一直是材料科學領域研究和關注的重要課題之一。然而，由于尺寸上的限制，Fe基非晶合金難以作為一種結構材料而獲得廣泛應用。
[0003]采用現代先進噴涂技術能夠獲得厚度可控、大面積、高質量的非晶合金涂層，從而極大地突破非晶合金尺寸上的限制。非晶合金涂層可應用于材料表面【技術領域】，起到防護、隱身作用或形成特種物理、化學或力學性能，從而極大拓展非晶合金材料的應用范圍。常用的熱噴涂方法包括等離子噴涂、超音速噴涂、超音速火焰噴涂，爆炸噴涂、電弧噴涂等，其中超音速噴涂是制備Fe基非晶涂層的重要方法之一，該方法制備的非晶涂層雜質少，殘余應力小，涂層致密，沉積粒子間孔隙率小。活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)噴涂工藝，是近期發展起來的一種新型超音速火焰噴涂技術，具有高粒子飛行速度、低火焰溫度以及高沉積效率等優點。同時，利用氧氣與空氣的混合氣體助燃，因此只要噴涂合金成分適宜，工藝適當，極容易形成非晶相。
[0004]目前我國艦艇的隱身技術與發達國家相比仍然有很大的差距，其中重要的原因是在無磁或弱磁材料的研究上相對落后，制造軍艦所使用的材料容易被地球磁場磁化。另外，我國軍艦用材料的耐海水腐蝕性能較差，在服役一定時期之后都要回到船塢進行整修，否則會嚴重影響其防護性能。Fe基非晶合金材料由于其結構的均勻性、不存在晶界、位錯、沉淀相等特點，而具有極高的耐蝕性能，因此開發一種具有超低磁Fe基非晶合金涂層材料對工業與國防具有重大的戰略意義。

【發明內容】

[0005]本發明針對目前鐵基非晶涂層孔隙率高、易磁化以及成本高的不足，提供了一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法。
[0006]本發明人已經開發出目前國際上臨界尺寸最大的無鐵磁性Fe基塊體非晶合金Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2,在該Fe基非晶合金成分基礎上，根據著名的Slater-Pauling磁性曲線，材料的原子磁矩與原子外殼電子數目的關系，通過向鐵基非晶合金中添加Cu、Ni等過渡金屬元素來填充原子核外電子軌道，減少核外單電子數目，降低電子自旋磁矩，從而設計具有超低磁的鐵基非晶合金新成分Fe48_xCuxCr15Mo14C15B6Y2 (at%，x= 2、5、8、9、14，名義成分)。
[0007]本發明提出的低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，具體步驟如下:(1)依據Slater-Pauling磁性曲線，設定低磁鐵基非晶合金成分,所述鐵基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 組成；
(2)采用工業氣霧化法將步驟(1)設定的低磁鐵基非晶合金成分制備成鐵基非晶粉末原料，所述鐵基非晶合金組份的質量百分比為:
Cu:6.8~9.6%
Cr: 14.8~15.8%
Mo: 24.5^25.4%
C: 3.5%
B: 1%
Y: 2.3~3.4%
其余為Fe，其總質量滿足100% ；
工業氣霧化法的反應條件為:控制過熱度為98-102 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ；
(3)采用活性燃燒高速炮報噴涂技術制備鐵基非晶涂層，控制壓縮空氣和丙烷的壓力分別為90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，噴涂距離180~230_，槍管長度200~275mm。
[0008]采用工業純原料、工業氣體霧化法制備成鐵基非晶粉末，粉末粒度主要為30-60μ m0
[0009]本發明中，所得鐵基非晶涂層孔隙率低于〈2%。
[0010]本發明所制備的非晶涂層孔隙率極低，且具有低磁性、高耐磨性。
[0011]本發明與已有的鐵基非晶合金涂層相比具有如下特點:
(I)本非晶涂層所需原料均為無毒、低成本的工業原料，制備工藝簡單，可控性強。
[0012](2)本涂層具有高的致密度，孔隙率〈2%。
[0013](3)本涂層具有極弱的鐵磁性，飽和磁化強度為0.547 emu/g，初始磁化率為
7.6X10'
[0014](4)本涂層具有高硬度、高耐磨性，維氏硬度為758 Hv。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為氣霧化的鐵基非晶合金粉末的掃描電鏡(SEM)圖；
圖2為非晶合金在為氣霧化的鐵基非晶合金粉末和活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)技術制備的鐵基非晶涂層的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鐵基非晶涂層的室溫磁滯回線。
【具體實施方式】
[0016]下面結合 附圖對本發明的【具體實施方式】做進一步詳細說明。
[0017]實施例1:本Fe基非晶合金粉末的化學成分為:Cu:6.8~9.6% ；Cr: 14.8~15.8% ；Mo: 24.5~25.4% ;C: 3.5% ；B: 1% ；Y: 2.3~3.4% ;其余為Fe ;(質量百分比)，總質量滿足
100% ο[0018]從Fe基非晶涂層的工業化角度出發，為實現脫離實驗室的高純原料、高真空氣體保護的制備條件，本發明采用工業純原料、工業氣體霧化法批量制備Fe基非晶合金粉末。氬氣霧化主要工藝參數為:過熱度約100 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20 MPa。氣霧化法得到的非晶粉末形貌圖，如圖1所示。粉末多數為球狀或橢球狀，表面光滑，流動性良好。粉末粒度范圍主要為30?60 μ m，且分布較為均勻，適合噴涂。粉末和涂層的X射線衍射圖(XRD)，如圖2所示。
[0019]本發明采用Kermetico公司生產的活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)噴涂設備在45#鋼基體上制備Fe基非晶涂層。噴涂前對基材表面進行除銹、除油等清潔處理，及噴砂粗化處理。
[0020]該噴涂系統使用丙烷為燃氣，空氣為助燃劑，氮氣為送粉氣體。噴涂工藝參數為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?77 psi，噴涂距離180 mm，槍管長度225mm，送粉率3rpm,涂層厚度可達400 μ m。
[0021]AC-HVAF工藝用壓縮空氣取代了氧氣，成本低，火焰溫度低，生產效率高，沉積效率高。涂層與基體結合強度高，含氧量低。Fe基非晶涂層的截面掃描電鏡照片，如圖3所示，涂層結構致密，孔隙率低于〈2%。
[0022]Fe基非晶涂層樣品的磁性測量，采用振動樣品磁強計(VSM)，測試條件為室溫，最大磁場值為20 KOe。該涂層具有弱鐵磁性，飽和磁化強度為0.547 emu/g，初始磁化率為
7.6X10'
[0023]用維氏硬度計測試涂層的顯微硬度，所加載荷為1000 g，加載15 s，平均顯微硬度值取10次測量的平均值，涂層硬度值達758 Hv。
[0024]實施例2:本實施方式與實施例1的不同點為:活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)噴涂工藝參數為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?76 psi，噴涂距離180 mm，槍管長度225_，送粉率5 rpm。其它與實施列I相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的厚度為400 μ m,孔隙率〈2%，磁性能無顯著變化。
[0025]實施例3:本實施例與實施例1的不同點為:活性燃燒高速燃氣(AC-HVAF)噴涂工藝參數為空氣壓力90?92 psi，丙烷壓力74?76psi，噴涂距離200 mm，槍管長度200 mm,送粉率3 rpm。其它與實施例1相同。該工藝條件下可獲得非晶涂層的厚度為350 μ m，孔隙率〈2%，磁性能無顯著變化。
【權利要求】
1.一種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于具體步驟如下: (1)依據Slater-Pauling磁性曲線，設定低磁鐵基非晶合金成分,所述鐵基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 組成； (2)采用工業氣霧化法將步驟(1)設定的低磁鐵基非晶合金成分制備成鐵基非晶粉末原料，所述鐵基非晶合金組份的質量百分比為:
Cu:6.8~9.6%
Cr: 14.8~15.8%
Mo: 24.5^25.4%
C: 3.5%
B: 1%
Y: 2.3~3.4% 其余為Fe，其總質量滿足100% ； 工業氣霧化法的反應條件為:控制過熱度為98-102 °C，真空度5 Pa，霧化壓力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ； (3)采用活性燃燒高速炮報噴涂技術制備鐵基非晶涂層，控制壓縮空氣和丙烷的壓力分別為90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，噴涂距離180~230_，槍管長度200~275mm。
2.根據權利要求1所述的一`種低磁高致密的鐵基非晶涂層的制備方法，其特征在于:所述制備的鐵基非晶涂層孔隙率低于〈2%。
【文檔編號】C22C45/02GK103862055SQ201410074480
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】沈軍, 羅強, 孫亞娟, 焦津, 呂云卓 申請人:同濟大學