一种陶瓷/铁基非晶复合涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于金属材料表面涂层的材料及制备方法，属于金属材料表面涂层技术领域，更具体是设计一种用于制备高耐磨陶瓷/铁基非晶复合涂层的方法。
【背景技术】
[0002]与常规多晶金属材料相比，非晶态合金(亦称金属玻璃)呈现长程无序、短程有序的结构特性，具有许多优异的力学和物理性能，如:高强度、耐腐蚀、耐磨性、良好的磁性能等，具有巨大的潜在应用前景。Fe基非晶更是由于其价格低廉成为国内外科学领域研究和关注的重要课题之一。然而，由于尺寸的限制，非晶合金的产品主要为薄带、细丝、粉末等，难以作为结构材料得以应用。
[0003]等离子喷涂是一种材料表面强化和表面改性的技术，可以制备具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化及良好结合强度的涂层。而将非晶合金与表面涂层制备技术相结合，即采用现代先进喷涂技术制备大面积厚度可控的非晶涂层，可突破非晶合金尺寸上的限制。将非晶合金作为涂层材料，应用于材料表面技术领域，起到防护作用，或形成特种物理化学性能，拓展非晶材料的应用范围。哈尔滨工业大学沈军等(Materials Letters, 2012,89:229-232.)研究表明在92IA钢表面喷涂Fe-基非晶涂层后其在H2SO4溶液中的自腐蚀电位明显升高。Kobayashi 等(Surface and Coatings Technology, 2008, 202(12):2513-2518.)人米用等离子喷涂技术制备厚约200 μπι的铁基非晶合金涂层，该涂层的耐磨性显著高于基体。
[0004]但是，作为耐磨材料而言，其韧性问题(即抵抗裂纹扩展能力较差，一旦有微裂纹形成便迅速扩展导致涂层剥落)就成为非晶涂层应用的一个制约条件。采用添加第二相来改善非晶韧性是块体非晶常用的手段。如H.C.Yim等(ActaMater, 1999，47(8):2455-2462.)采用外加难熔金属或陶瓷颗粒促进剪切带增殖来提高其塑性；或如J.W.Qiao等(Appl.Phys.Lett.2009, 94:151905)通过成分设计和控制合金熔体凝固产生内生晶体相来改善非晶塑性。
[0005]基于此，在非晶中添加第二相制备陶瓷-非晶复合涂层，来改善非晶涂层的韧性可进一步提高其耐磨性。然而制备得到组织均匀、成分可控的复合涂层是一难点。目前文献报道的制备方法多是在喷涂过程中靠控制冷却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.)将热喷涂的Fe基非晶涂层，在晶化温度以上保温，在基体中析出Fe2I^P (Fe, Cr)B相而制备金属非晶-陶瓷复合涂层。S.Yugeswaran等(Applied SurfaceScience, 2012, 25:88460 - 8468.)在等离子喷涂Zr-基非晶过程中形成ZrO2陶瓷相，得到陶瓷-非晶复合涂层。这些制备方法的共性问题是涂层中非晶和陶瓷相比例不可控，性能波动较大。因此，实现添加第二相成分比例可控且能均匀分布于基体，对提高非晶涂层的耐磨性具有重要意义。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对当前技术的不足，提供一种陶瓷/铁基非晶复合涂层的制备方法，该方法采用多路异位送粉等离子喷涂技术，将非晶粉和陶瓷粉分开送粉，这既防止非晶材料的晶化，又确保陶瓷材料的熔融；同时，喷涂工艺中采用同一喷枪，对陶瓷材料和铁基非晶材料采用不同的枪距送粉，以确保陶瓷材料在非晶基体上均匀分布，且实现陶瓷与非晶两相比例可以调控。本发明得到的涂层以100%铁基非晶为基体，在其上均匀的分布着陶瓷晶体相，且陶瓷/非晶两相比例可依据使用性能的需求而变化，二者构成非晶-陶瓷复合涂层，可实现性能上的互补，在磨损条件下高硬的陶瓷对非晶的软化起到强化作用，而非晶的软化会导致脆性陶瓷应力松弛，二者的互补会显著提高涂层的韧性及耐磨性，达到延长构件使用寿命降低成本节约能源的目的。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]—种陶瓷/铁基非晶复合涂层的制备方法，该方法包括以下步骤:
[0009](I)在喷涂前对合金工件表面进行清洁化预处理；
[0010](2)对预处理好的合金工件进行喷砂粗化活化处理；
[0011](3)采用等离子喷涂技术对步骤(2)得到的经过喷砂粗化活化处理的合金工件表面进行喷涂，得到厚度为80?100微米的粘结底层；
[0012](4)采用多路异位等离子喷涂送粉技术喷涂步骤(3)得到的合金工件基体表面；其中，陶瓷粉采用枪内送粉，铁基非晶粉枪外送粉，铁基非晶粉的送粉口位置距离喷嘴10-16mm ;喷涂功率为28_35Kw，喷枪移动速度为6?8m/min，比气流量为80_120L/min，铁基非晶粉和陶瓷粉的送粉气体为Ar气，陶瓷粉的送粉气流量为18-23L/min，铁基非晶粉的送粉气流量为10-200L/min ;最后得到陶瓷/铁基非晶复合涂层。
[0013]所述的铁基非晶合金粉末，其组分为:Cr为25?27%、C为2?2.5%、Mo为16?18%、B为2?2.2%，余量为Fe，所述的百分比均为质量百分比，粉末为球形、近球形或类球形粉末，粒度为100目?300目；
[0014]所述的陶瓷粉为Zr02、Al203、Cr203、WC和CrC中的一种或多种；所述陶瓷粉末形状为球形或近球形，粉末粒径为100?400目。
[0015]所述的步骤(3)中的粘结底层的原料为微米级的Fe-Al、N1-Al、NiCrAlY或CoCrAlY自熔性合金粉。
[0016]本发明的有益效果为:
[0017]1.本发明采用等离子多路异位送粉技术，即将陶瓷粉与非晶粉通过两个送粉器分开送粉，可实现非晶与陶瓷共沉积到基体上，且能实现复合涂层成分比例可调控。之前的研究中多采用同一送粉器的混合送粉技术，那么由于陶瓷的熔点较高而非晶熔点较低，非晶与陶瓷同时送粉造成非晶在凝固过程中易析出晶体相，往往不能得到完全的非晶相，且析出的晶体相比例难以控制。采用本发明的多路异位送粉技术可以保证陶瓷/铁基非晶复合涂层中得到100%铁基非晶，在其上均匀的分布着陶瓷晶体相。且通过调整喷涂过程中枪距和送粉气体流量，可实现根据应用的条件，调控复合材料中陶瓷相与非晶相的体积分数。使制备得到的复合涂层具备宽泛的成分范围，因而可以得到不同性能的陶瓷-非晶复合涂层，更易实现工程应用。
[0018]2.本发明提供的陶瓷-非晶复合涂层具有较单一的非晶涂层(或单一的陶瓷涂层)更高的硬度和耐磨性能。非晶合金虽然具有较高的强度和耐磨性能，但是由于其韧性差，作为涂层材料而言，一旦局部出现高应力导致微裂纹产生后，裂纹迅速扩展，易造成涂层的剥落。当添加陶瓷相后，可提高非晶的韧性，抑制裂纹的扩展，从而达到提高硬度和耐磨性能的目的。本发明的实施例结果也表明当非晶基体中添加20%的陶瓷后，复合涂层的硬度值较单一的非晶涂层提高18.2%，较单一的ZrO2陶瓷涂层提高69.4%。复合涂层的耐磨性能也得到了提高，当复合涂层中非晶与陶瓷的比例为4:1时，复合涂层的磨损失重量较单一的非晶涂层提高了 66.7%，较单一的Zr02陶瓷涂层提高184.7%。
【附图说明】
[0019]图1:实施例1中等离子多路异位送粉制备陶瓷/非晶复合涂层示意图；
[0020]图2:实施例1中Zr02/Fe-基非晶复合涂层的200倍微观形貌(SEM)图；
[0021]图3:实施例1-3中Fe基非晶合金粉末和Zr02/Fe_基非晶复合涂层的X射线衍射(XRD)图;
[0022]图4:实施例5中ZrO2涂层，Fe-基非晶涂层以及ZrO 2/Fe-基非晶复合涂层的硬度值
[0023]图5:实施例6中ZrO2涂层，Fe-基非晶涂层以及ZrO 2/Fe-基非晶复合涂层的磨损失重量比较
【具体实施方式】
[0024]为了充分、清楚地了解本发明的目的、特征和效果，以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，但是发明的保护范围不限于下属的实施例。
[0025]实施例1:基体以45#钢，复合涂层中Fe-基非晶和2抑2陶瓷的质量比为4:1为例。
[0026]本发明的实施例采用以下技术条件:
[0027]1.在喷涂前对合金工件表面除锈、除氧化皮、除油等清洁化处理、干燥备用；
[0028]2.对预处理好的合金工件进行喷砂粗化活化处理；目的是去除基体表面的油污等杂质，提高基体的粗糙度，有利于涂层与基体产生良好的机械咬合，增大涂层与基体之间的结合面积，从而达到提高涂层与基体的结合强的目的；
[0029]3.为了增加涂层与基体的结合强度，在上步得到的经过喷砂粗化活化处理的合金工件进行等离子喷涂，原料为微米级的N1-Al粉，得到的喷涂底层，厚度为100 μπι ;
[0030]4.利用等离子喷涂枪并采用多路异位送粉技术实现ZrO2陶瓷与Fe-基非晶同时沉积喷涂在经过上步得到的有喷涂底层的45#钢工件基体表面。等离子多路异位送粉技术，如图1所示。所述等离子多路异位送粉技术:喷涂时首先在阴极和阳极(喷嘴)之间产生一个直流电弧，该电弧把导入的工作气体(氢气)加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，Fe基非晶粉末和陶瓷粉末由送粉气体送入等离子焰中，由于ZrO2熔点较高，所以采用枪内送粉，以达到使其完全熔化的目的。而对于熔点较低的非晶粉末采用枪外送粉(非晶送粉位置距离喷嘴13mm(所述的喷涂距离是枪距，异位送粉陶瓷的送粉口与非晶的送粉口都在枪上，区分异位送粉是指陶瓷送粉为枪内，非晶送粉位置距离喷嘴距离13_)，相较于陶瓷送粉的位置而言，此处的送粉火焰温度较低，有利于得到完全的非晶相。粉末在高温的作用下熔化，并由焰流加速，喷射到基体材料上。所述的等离子喷涂技术:喷涂功率为35Kw，电流500A，电压70V，喷枪距离工件间的喷涂距离为86mm，喷枪移动速度为6-8m/min，比气流量为120L/min，非晶粉和陶瓷粉的送粉气体为Ar气，ZrO2陶瓷粉的送粉气流量为20L/min，Fe-基非晶粉需要采用的气流量为74L/min。(说明:根据质量(m)=