本發(fā)明屬于磁性材料領(lǐng)域，特別涉及一種利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法。

背景技術(shù)：

鐵磁性及亞鐵磁性材料在磁化狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其自身的長(zhǎng)度或體積會(huì)發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為磁致伸縮。體積的變化稱(chēng)為體積磁致伸縮，長(zhǎng)度的變化稱(chēng)為線(xiàn)磁致伸縮。由于體積磁致伸縮變化非常小，實(shí)用價(jià)值不高，通常所說(shuō)的磁致伸縮主要是指線(xiàn)磁致伸縮。對(duì)應(yīng)線(xiàn)磁致伸縮系數(shù)λ＝ΔL/L(L是材料原始長(zhǎng)度，ΔL為外加磁場(chǎng)下材料的長(zhǎng)度的變化量)。當(dāng)λ>0，即外加磁場(chǎng)下，材料沿磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)，稱(chēng)為正磁致伸縮效應(yīng)；反之，λ<0，則稱(chēng)為負(fù)磁致伸縮效應(yīng)。材料在在外加磁場(chǎng)下，所產(chǎn)生的最大應(yīng)變量，稱(chēng)為飽和磁致伸縮系數(shù)(λs)，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)的大小，稱(chēng)為飽和磁化場(chǎng)(Hs)。

磁致伸縮材料能實(shí)現(xiàn)電磁能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，具有輸出功率大、能量密度高、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，是重要的能量和信息轉(zhuǎn)換材料，是高技術(shù)領(lǐng)域最重要的功能材料之一，在水聲換能器、超聲換能器、電聲轉(zhuǎn)換、精密制動(dòng)器、減震與防噪、智能機(jī)械、微位移控制等高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

基于鐵磁材料的磁致伸縮特性，壓電超聲換能器和電磁超聲換能器在被測(cè)試樣內(nèi)激發(fā)出和接受超聲波，但與磁致伸縮特性相反，當(dāng)鐵磁材料的尺寸發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起磁疇的轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng)，進(jìn)而會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生磁效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆磁致伸縮效應(yīng)，鐵磁材料的磁致伸縮效應(yīng)和逆磁致伸縮效應(yīng)是鐵磁試樣中激發(fā)和接受超聲波的主要原因。磁致伸縮導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)作為一種新型的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，擁有長(zhǎng)距離快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于各種石油、化工及天然氣管道的在役檢測(cè)與監(jiān)測(cè)、高速鐵路軌道無(wú)損檢測(cè)、斜拉橋和懸索橋錨固區(qū)的在役檢測(cè)、大型結(jié)構(gòu)和各種埋地構(gòu)件的狀態(tài)監(jiān)控，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

目前用于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)的鐵磁材料主要是磁致伸縮薄帶，美國(guó)西南研究所的Kwun博士最先提出了一種用于管道周向裂紋檢測(cè)的在管道內(nèi)沿軸向傳播的基于磁致伸縮機(jī)理的電磁超聲換能器，在對(duì)L模式電磁超聲導(dǎo)波研究的基礎(chǔ)上，Kwun博士又提出了一種用于產(chǎn)生T模式超聲導(dǎo)波的EMAT結(jié)構(gòu)，EMAT器由線(xiàn)圈、鎳帶和被測(cè)管道組成。韓國(guó)的KimYY教授及其課題組研究人員試圖通過(guò)改變鎳帶的使用方式，使EMAT具有選頻特性。但薄帶與被測(cè)試樣之間是由環(huán)氧樹(shù)脂起固定作用的，同時(shí)也作為超聲導(dǎo)波在磁致伸縮薄帶和被測(cè)試樣之間的耦合介質(zhì)，但是環(huán)氧樹(shù)脂不能抵抗較重的地下潮氣，并且抗紫外線(xiàn)能力差，涂層容易突起，前期會(huì)形成鼓包，長(zhǎng)期使用就會(huì)破裂、脫落，不能長(zhǎng)期用于室外，否則會(huì)加速老化，如變色、降低強(qiáng)度甚至粉化、脫落等，因此合金薄帶不能長(zhǎng)期用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)和在役監(jiān)測(cè)，所以考慮磁致伸縮涂層，把磁致伸縮材料的粉末采用冷噴涂的方式噴到被檢測(cè)試樣表面形成涂層涂層，涂層結(jié)合強(qiáng)度高、致密，可以長(zhǎng)期用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)永久性服役。

前期本課題組已經(jīng)做過(guò)用涂層代替薄帶來(lái)應(yīng)用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)，但是涂層磁致伸縮性能不高，λ_//接近40ppm，考慮到取向是決定Fe-Ga等合金材料磁致伸縮性能的關(guān)鍵因素，我們采用在金屬基體的底部或兩端固定磁體如圖1，通過(guò)冷噴涂的方式獲得沿各個(gè)方向的取向涂層。而技術(shù)磁化中，磁矩的轉(zhuǎn)動(dòng)和非180°疇壁轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致合金材料產(chǎn)生線(xiàn)性磁致伸縮應(yīng)變，沿易磁化取向的磁致伸縮性能最好。因此Fe-Ga，F(xiàn)e-Al，F(xiàn)e-Ni合金<001>取向?yàn)槠湟状呕较颍?lt;001>取向單晶和多晶具有很高的磁致伸縮性能。我們測(cè)得Fe-Ga合金涂層<001>取向的λ_//接近80ppm，如圖2所示。

因此提供一種利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供了一種利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法，用于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)，克服磁致伸縮薄帶長(zhǎng)期使用易脫落、氧化及其他方法制備涂層應(yīng)用于超聲導(dǎo)波檢測(cè)性能不高的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)永久性服役。

1.一種利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法，其特征在于以金屬材料為基體，以冷噴涂的方式噴射鐵基磁致伸縮材料氣霧化球形粉，通過(guò)在基體的底部或兩端放置永磁體提供取向場(chǎng)，從而獲得沿磁場(chǎng)方向的取向涂層；具體制備步驟如下：

(1)用氣霧化的方式制備鐵基磁致伸縮材料的球形粉末；

(2)對(duì)金屬基底進(jìn)行表面處理；

(3)在金屬基體上固定磁體；

(4)采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，獲得具有取向的磁致伸縮涂層。

如上所述取向磁致伸縮粉末的合金成分，按原子百分比計(jì)，表示為：Fe_100-x-yGa_xM_y(x＝13～30)，F(xiàn)e_100-x-yAl_xM_y(x＝10～27)，F(xiàn)e_100-x-yCo_xM_y(x＝45～75)，F(xiàn)e_100-x-yNi_xM_y(x＝25～65)，其中M為B、Si、Ti、V、Cr、Mn、Zn、Ga、Nb、Ta和W中的一種或幾種，y＝0.01～0.6；余量為鐵。

步驟(1)所述球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶粉。

步驟(2)所述金屬基底為316L不銹鋼；所述表面處理方法為噴砂粗化處理。

步驟(3)所述磁體的磁場(chǎng)范圍為0.1～2T。

步驟(4)所述的冷噴涂條件如下：工作氣體和送粉氣體均為氮?dú)猓ぷ鳉怏w壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為400℃～800℃，噴涂距離為60mm～120mm，給料速度為50g/min～250g/min。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

1)采用具有各向異性的單晶鐵基磁致伸縮材料粉末，在磁場(chǎng)下能夠獲得具有一定的取向涂層；

2)具有一定取向的涂層沿某一方向加磁場(chǎng)，該方向具有強(qiáng)的磁致伸縮系數(shù)；

3)采用冷噴涂技術(shù)制備涂層，可在大氣環(huán)境下進(jìn)行，對(duì)工件要求低，易工程化應(yīng)用；

4)采用冷噴涂技術(shù)制備涂層，生產(chǎn)溫度低，不容易發(fā)生相變，晶粒不容易長(zhǎng)大，氧化現(xiàn)象不容易發(fā)生，制備涂層質(zhì)量好等；

5)鐵基磁致伸縮涂層涂層用于超聲導(dǎo)波無(wú)損檢測(cè)，克服磁致伸縮薄帶長(zhǎng)期使用易脫落、氧化的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期檢測(cè)和使用。

附圖說(shuō)明

圖1為Fe-Ga磁致伸縮涂層的λ-H曲線(xiàn)，

圖2為冷噴涂的基底金屬塊的夾楔裝置示意圖，

圖3為鐵鎵球形氣霧化粉末的單晶顆粒截面。

具體實(shí)施方式

盡管參照本發(fā)明的下述示意性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性的勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵鎵磁致伸縮涂層的方法

1.配制Fe₈₁Ga_18.6B_0.4(x＝13～29)(以上x(chóng)為原子百分比)，在氧化鋁坩堝的真空熔煉爐內(nèi)進(jìn)行第一次熔煉制備合金鑄錠，機(jī)加工去除鑄錠表面氧化皮，把預(yù)處理過(guò)的鑄錠放進(jìn)高壓氣霧化制粉裝置中進(jìn)行二次熔煉，在真空中加熱到1650℃保溫10分鐘，霧化氣體采用高純氬氣，霧化壓力為3.9MPa，噴粉壓力為0.5mbar，經(jīng)過(guò)高速氣流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形氣霧化粉末；

2.噴砂粗化處理金屬基體，再用丙酮和酒精分別進(jìn)行超聲振動(dòng)，吹干，以清洗表面雜質(zhì)；

3.在金屬基體的兩端上固定磁體,磁體的強(qiáng)度為1.5T；

4.球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶高壓球形氣霧化粉末。

5.采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，工作氣體和送粉氣體均為氮?dú)猓ぷ鳉怏w壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為600℃，噴涂距離為80mm，給料速度為60g/min，獲得具有取向的鐵鎵磁致伸縮涂層，λ-H曲線(xiàn)如圖2所示。

實(shí)施例2：利用冷噴涂技術(shù)制備具有取向的鐵鋁磁致伸縮涂層的方法

1.配制Fe₈₀Al_19.4Si_0.6(x＝10-25)(以上x(chóng)為原子百分比)，在氧化鋁坩堝的真空熔煉爐內(nèi)進(jìn)行第一次熔煉制備合金鑄錠，機(jī)加工去除鑄錠表面氧化皮，把預(yù)處理過(guò)的鑄錠放進(jìn)高壓氣霧化制粉裝置中進(jìn)行二次熔煉，在真空中加熱到1680℃保溫10分鐘，霧化氣體采用高純氬氣，霧化壓力為3.7Mpa，噴粉壓力為0.23mbar，經(jīng)過(guò)高速氣流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形氣霧化粉末；

2.噴砂粗化處理金屬基體，再用丙酮和酒精分別進(jìn)行超聲振動(dòng)，吹干，以清洗表面雜質(zhì)；

3.在金屬基體的兩端上固定磁體,磁體的強(qiáng)度為1.5T；

4.球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶高壓球形氣霧化粉末。

5.采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，工作氣體和送粉氣體均為氮?dú)猓ぷ鳉怏w壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為600℃，噴涂距離為80mm，給料速度為60g/min，獲得具有取向的鐵鋁磁致伸縮涂層。