一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有低磁高致密的新型铁基非晶涂层的制备方法，以Slater-Pauling磁性曲线为基础，开发出低磁铁基非晶合金新成分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%，其余为Fe。将该成分的铁基非晶合金采用工业气雾化技术制备成粉末原料，采用活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)火焰喷涂制备非晶涂层。本发明提供的铁基非晶涂层制备工艺接近实际工业化水平，工艺可控、成本低廉，具有高致密度、低磁性、高硬度、耐磨等优点，解决了铁基非晶涂层孔隙率高、易磁化以及成本高的缺点，在电力、舰船、油田等领域中具有非常大的应用潜力。
【专利说明】 一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非晶合金涂层材料，具体涉及一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]铁基块体非晶合金具有高强度、高耐磨性、优异的耐腐蚀性，应用前景可观。铁基非晶合金的主要构成元素是过渡金属和类金属，成本低廉。作为一种新型高性能金属工程材料，三维大尺寸的Fe基非晶合金材料的制备及其应用技术，一直是材料科学领域研究和关注的重要课题之一。然而，由于尺寸上的限制，Fe基非晶合金难以作为一种结构材料而获得广泛应用。
[0003]采用现代先进喷涂技术能够获得厚度可控、大面积、高质量的非晶合金涂层，从而极大地突破非晶合金尺寸上的限制。非晶合金涂层可应用于材料表面【技术领域】，起到防护、隐身作用或形成特种物理、化学或力学性能，从而极大拓展非晶合金材料的应用范围。常用的热喷涂方法包括等离子喷涂、超音速喷涂、超音速火焰喷涂，爆炸喷涂、电弧喷涂等，其中超音速喷涂是制备Fe基非晶涂层的重要方法之一，该方法制备的非晶涂层杂质少，残余应力小，涂层致密，沉积粒子间孔隙率小。活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺，是近期发展起来的一种新型超音速火焰喷涂技术，具有高粒子飞行速度、低火焰温度以及高沉积效率等优点。同时，利用氧气与空气的混合气体助燃，因此只要喷涂合金成分适宜，工艺适当，极容易形成非晶相。
[0004]目前我国舰艇的隐身技术与发达国家相比仍然有很大的差距，其中重要的原因是在无磁或弱磁材料的研究上相对落后，制造军舰所使用的材料容易被地球磁场磁化。另外，我国军舰用材料的耐海水腐蚀性能较差，在服役一定时期之后都要回到船坞进行整修，否则会严重影响其防护性能。Fe基非晶合金材料由于其结构的均匀性、不存在晶界、位错、沉淀相等特点，而具有极高的耐蚀性能，因此开发一种具有超低磁Fe基非晶合金涂层材料对工业与国防具有重大的战略意义。
【发明内容】
[0005]本发明针对目前铁基非晶涂层孔隙率高、易磁化以及成本高的不足，提供了一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法。
[0006]本发明人已经开发出目前国际上临界尺寸最大的无铁磁性Fe基块体非晶合金Fe41Co7Cr15Mo14C15B6Y2,在该Fe基非晶合金成分基础上，根据著名的Slater-Pauling磁性曲线，材料的原子磁矩与原子外壳电子数目的关系，通过向铁基非晶合金中添加Cu、Ni等过渡金属元素来填充原子核外电子轨道，减少核外单电子数目，降低电子自旋磁矩，从而设计具有超低磁的铁基非晶合金新成分Fe48_xCuxCr15Mo14C15B6Y2 (at%，x= 2、5、8、9、14，名义成分)。
[0007]本发明提出的低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，具体步骤如下:(1)依据Slater-Pauling磁性曲线，设定低磁铁基非晶合金成分,所述铁基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 组成；
(2)采用工业气雾化法将步骤(1)设定的低磁铁基非晶合金成分制备成铁基非晶粉末原料，所述铁基非晶合金组份的质量百分比为:
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%
其余为Fe，其总质量满足100% ；
工业气雾化法的反应条件为:控制过热度为98-102 °C，真空度5 Pa，雾化压力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ；
(3)采用活性燃烧高速炮报喷涂技术制备铁基非晶涂层，控制压缩空气和丙烷的压力分别为90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，喷涂距离180~230_，枪管长度200~275mm。
[0008]采用工业纯原料、工业气体雾化法制备成铁基非晶粉末，粉末粒度主要为30-60μ m0
[0009]本发明中，所得铁基非晶涂层孔隙率低于〈2%。
[0010]本发明所制备的非晶涂层孔隙率极低，且具有低磁性、高耐磨性。
[0011]本发明与已有的铁基非晶合金涂层相比具有如下特点:
(I)本非晶涂层所需原料均为无毒、低成本的工业原料，制备工艺简单，可控性强。
[0012](2)本涂层具有高的致密度，孔隙率〈2%。
[0013](3)本涂层具有极弱的铁磁性，饱和磁化强度为0.547 emu/g，初始磁化率为
7.6X10'
[0014](4)本涂层具有高硬度、高耐磨性，维氏硬度为758 Hv。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为气雾化的铁基非晶合金粉末的扫描电镜(SEM)图；
图2为非晶合金在为气雾化的铁基非晶合金粉末和活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)技术制备的铁基非晶涂层的X射线衍射(XRD)图；
图3铁基非晶涂层的截面扫描电镜背散射(BSE-SEM)图；
图4铁基非晶涂层的室温磁滞回线。
【具体实施方式】
[0016]下面结合 附图对本发明的【具体实施方式】做进一步详细说明。
[0017]实施例1:本Fe基非晶合金粉末的化学成分为: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% ;其余为Fe ;(质量百分比)，总质量满足
100% ο[0018]从Fe基非晶涂层的工业化角度出发，为实现脱离实验室的高纯原料、高真空气体保护的制备条件，本发明采用工业纯原料、工业气体雾化法批量制备Fe基非晶合金粉末。氩气雾化主要工艺参数为:过热度约100 °C，真空度5 Pa，雾化压力20 MPa。气雾化法得到的非晶粉末形貌图，如图1所示。粉末多数为球状或椭球状，表面光滑，流动性良好。粉末粒度范围主要为30?60 μ m，且分布较为均匀，适合喷涂。粉末和涂层的X射线衍射图(XRD)，如图2所示。
[0019]本发明采用Kermetico公司生产的活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂设备在45#钢基体上制备Fe基非晶涂层。喷涂前对基材表面进行除锈、除油等清洁处理，及喷砂粗化处理。
[0020]该喷涂系统使用丙烷为燃气，空气为助燃剂，氮气为送粉气体。喷涂工艺参数为空气压力90?92 psi，丙烷压力74?77 psi，喷涂距离180 mm，枪管长度225mm，送粉率3rpm,涂层厚度可达400 μ m。
[0021]AC-HVAF工艺用压缩空气取代了氧气，成本低，火焰温度低，生产效率高，沉积效率高。涂层与基体结合强度高，含氧量低。Fe基非晶涂层的截面扫描电镜照片，如图3所示，涂层结构致密，孔隙率低于〈2%。
[0022]Fe基非晶涂层样品的磁性测量，采用振动样品磁强计(VSM)，测试条件为室温，最大磁场值为20 KOe。该涂层具有弱铁磁性，饱和磁化强度为0.547 emu/g，初始磁化率为
7.6X10'
[0023]用维氏硬度计测试涂层的显微硬度，所加载荷为1000 g，加载15 s，平均显微硬度值取10次测量的平均值，涂层硬度值达758 Hv。
[0024]实施例2:本实施方式与实施例1的不同点为:活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺参数为空气压力90?92 psi，丙烷压力74?76 psi，喷涂距离180 mm，枪管长度225_，送粉率5 rpm。其它与实施列I相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的厚度为400 μ m,孔隙率〈2%，磁性能无显著变化。
[0025]实施例3:本实施例与实施例1的不同点为:活性燃烧高速燃气(AC-HVAF)喷涂工艺参数为空气压力90?92 psi，丙烷压力74?76psi，喷涂距离200 mm，枪管长度200 mm,送粉率3 rpm。其它与实施例1相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的厚度为350 μ m，孔隙率〈2%，磁性能无显著变化。
【权利要求】
1.一种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于具体步骤如下: (1)依据Slater-Pauling磁性曲线，设定低磁铁基非晶合金成分,所述铁基非晶合金由 Fe、Cu、Cr、Mo、C、B、和 Y 组成； (2)采用工业气雾化法将步骤(1)设定的低磁铁基非晶合金成分制备成铁基非晶粉末原料，所述铁基非晶合金组份的质量百分比为:
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% 其余为Fe，其总质量满足100% ； 工业气雾化法的反应条件为:控制过热度为98-102 °C，真空度5 Pa，雾化压力20MPa ;粉末粒度主要集中在30-60 μ m ； (3)采用活性燃烧高速炮报喷涂技术制备铁基非晶涂层，控制压缩空气和丙烷的压力分别为90~92 psi和74~77 psi，送粉率3~5rpm，喷涂距离180~230_，枪管长度200~275mm。
2.根据权利要求1所述的一`种低磁高致密的铁基非晶涂层的制备方法，其特征在于:所述制备的铁基非晶涂层孔隙率低于〈2%。
【文档编号】C22C45/02GK103862055SQ201410074480
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】沈军, 罗强, 孙亚娟, 焦津, 吕云卓 申请人:同济大学