一种用于制备Al‑Fe‑Nb‑Cr非晶涂层的粉芯丝材的制作方法

本发明属于材料加工工程专业中的热喷涂领域，具体的说是涉及一种用于制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材，该粉芯丝材主要应用于铝合金零部件的表面防护。

背景技术：

铝在地壳中的含量位于金属元素中第一位，资源非常丰富，性能优良，应用范围也极其广泛。由于铝表面极易生成一层薄而致密的氧化膜，可以有效阻止腐蚀介质向金属内部扩散，所以赋予了它优异的耐腐蚀性能，也使得它可以代替钢铁应用于存在一定程度腐蚀的环境里。但是相对于钢铁来说，铝合金作为软质材料，常表现出硬度较低、耐磨损性能较差的缺点，不适于服役在存在磨损的工况环境下。解决此问题的传统方法多为将成型铝合金进行后期热处理操作，涉及工序复杂、周期较长、成本较高，因此，从材料本身提高铝合金的硬度和耐磨损性能才是良策。近年来，非晶材料没有晶界、位错、孔隙等结构缺陷，能使铝基非晶态合金材料具有与钢铁相当的硬度以及优异的防腐耐磨性能，可以克服常规铝合金不耐磨损的技术缺陷。但是传统铝基非晶合金制备工艺存在诸如过于繁琐、生产周期较长、效率偏低等缺点，导致该类材料无法获得更广泛的应用推广。由于高速电弧喷涂技术可以提供极高的冷却速率(＞10⁵K/s)，能满足形成非晶的技术要求，因此基于材料制备与成形一体化思想，通过适当设计铝基粉芯丝材合金成分，可制备出具有高硬度、优异防腐耐磨性能的铝基非晶涂层。

当前，国际上已有采用高速电弧喷涂技术制备铝基非晶纳米晶复合涂层的报道，但是它们存在一些不足。第一，该类涂层的非晶含量较低，不足20％(体积分数)，无法全面体现出非晶在材料中的作用；第二，加入了稀土材料，导致生产成本偏高；第三，材料成分中含有的元素较多，不利于理论研究与成分调控；第四，与已有文献报道中传统制备工艺获得的相同合金体系的材料，涂层硬度相比略低。因此，研发低成本、少量组元的铝基粉芯丝材，采用高速电弧喷涂技术制备出高非晶含量、硬度较高以及防腐耐磨综合性能优异的铝基非晶涂层，对于服役于存在一定磨损和腐蚀工况下的铝合金装备的表面防护具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材，使用成本较低的铝基粉芯丝材，利用高速电弧喷涂技术使用所述铝基粉芯丝材可制备出非晶含量较高、硬度较高以及防腐耐磨综合性能优异的铝基非晶涂层。

为了实现上述目的，本发明提供的一种用于制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材，所述粉芯丝材采用纯铝带外皮包裹粉芯；所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34-38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Fe 12-16％；Nb 16-20％；Cr 3-5％。

优选地，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为34％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Fe 12％；Nb 17％；Cr 5％。

优选地，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为36％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Fe 16％；Nb 16％；Cr 4％。

优选地，所述的粉芯占粉芯丝材的质量百分比为38％；所述粉芯的各组分及其质量百分比为：Fe 15％；Nb 20％；Cr 3％。

上述粉芯丝材的制备方法，按照上述粉芯丝材各组分百分比将粉芯称重配料，并放入混粉机混合1小时；将10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)纯铝带轧制成U形，向U形铝带槽中加入混合均匀的粉芯；然后将U形槽合口，使粉芯包覆其中；最后经多道拉丝拉拔减径至直径为2.0mm的丝材。

本发明的特点在于：

1.拓宽了电弧喷涂铝基非晶涂层的材料体系，由于合金体系中含有可提高硬度的Fe元素，有效提高了涂层的整体硬度，相比已有电弧喷涂铝基非晶涂层的硬度值提高了5～10％，更为接近块体铝基非晶合金传统制备工艺获得的材料硬度。晶态铝合金的显微硬度值普遍较低，即使经过热处理的铝合金显微硬度值也小于HV100，而本发明提供的铝基非晶涂层显微硬度值大于HV350，与45#碳钢硬度相当，有效提高了涂层整体耐磨损性能。

2.涂层非晶含量较高。根据日本非晶材料专家Inoue教授提出的块体非晶合金成分设计指导原则：①合金体系的主要组元元素必须在三个或三个以上；②合金体系中主要组元原子半径尺寸差应大于12％；③各组元之间存在大的负混合热。本发明提供的粉芯丝材可制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层为四元合金体系；各组元原子半径分别为：R_Al＝0.143nm，R_Fe＝0.127nm，R_Nb＝0.148nm，R_Cr＝0.127nm，原子半径尺寸差约为12％；各组元之间的负混合热焓值分别为：ΔH_Al-Fe＝-11kj/mol，ΔH_Al-Nb＝-18kj/mol，ΔH_Al-Cr＝-10kj/mol，ΔH_Fe-Nb＝-16kj/mol，ΔH_Fe-Cr＝-1kj/mol，ΔH_Nb-Cr＝-7kj/mol，使合金系统具有较大的负混合热焓。这些条件均有利于非晶的形成，因此使得涂层非晶含量≥65％，便于实现非晶母相中弥散分布纳米晶粒的复合微观结构，有利于提升涂层的防腐耐磨综合性能。

3.本发明所需原材料均为常见市售廉价合金材料，不及稀土粉末价格的五分之一，因此与已有报道相比在生产成本方面优势明显。

4.本发明中加入了Cr元素，使涂层在腐蚀介质中，极易在涂层表面形成Cr₂O₃钝化膜，在不降低涂层整体硬度的同时，有力保障涂层的防腐性能比传统防腐用纯铝涂层提高了2倍以上。

本发明有益的效果在于：

本发明提供一种用于制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材，通过合理设计粉芯丝材各组分的含量，采用现有高速电弧喷涂技术可在铝合金基体表面形成连续致密的铝基非晶涂层，涂层与基体结合良好；该涂层具有较高的非晶含量(体积分数≥65％)，而且硬度较高、防腐耐磨性能优异，可为轻度磨损工况下服役的铝合金部件表面提供有效的防护，应用前景十分广泛。

附图说明

图1为本发明一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的横截面形貌。

图2为本发明一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的X射线衍射图谱。

图3为本发明一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的TEM形貌。

图4为本发明一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的硬度分布图。

图5为本发明另一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的X射线衍射图谱。

图6为本发明另一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的TEM形貌。

图7为本发明又一优选实施例制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的硬度分布图。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图来说明本发明的技术方案。

实施例1：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯丝材各元素质量百分比：12％Fe、17％Nb、5％Cr，将所取的粉末称重配料后放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为34％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并经计量和包装后形成可出厂产品。

以实施例1制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术在铝合金表面制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为150A，喷涂电压为32V，喷涂气体压力为0.65MPa，喷涂距离为180mm。

使用实施例1制备的粉芯丝材喷涂的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的横截面形貌如图1所示，可以看出：涂层组织均匀、结构致密，呈明显的层状结构，涂层与基体结合良好，涂层孔隙率约为2.5％。图2为Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的X射线衍射图谱，发现约在2θ＝40°处出现了典型非晶态结构的X射线衍射图谱特征，说明了涂层沉积过程中形成了非晶结构，且存在Al、Fe、Nb、Al₃Nb等晶化相；经拟合计算，涂层中非晶含量约为69％。经检测该Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的TEM图片如图3所示，可以看出涂层组织主要由非晶和纳米晶相等组成。涂层平均显微硬度为HV_0.1374，如图4所示。

实施例2：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯丝材各元素质量百分比：16％Fe、16％Nb、4％Cr，将所取的粉末称重配料后放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为36％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并经计量和包装后形成可出厂产品。

以实施例2制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术在铝合金表面制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为140A，喷涂电压为34V，喷涂气体压力为0.65MPa，喷涂距离为200mm。

使用实施例2制备的粉芯丝材喷涂的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的X射线衍射图谱如图5所示，可以看出，约在2θ＝40°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的X射线衍射图谱特征，说明涂层沉积过程中形成了非晶结构；经拟合计算，涂层中非晶含量约为72％。经检测Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的TEM图片如图6所示，可以看出涂层组织主要由非晶和纳米晶相等组成。

实施例3：一种用于高速电弧喷涂技术制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的粉芯丝材及其制备方法

选用10×0.4(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的纯铝带，先将其轧制成U形，按照粉芯丝材各元素质量百分比：15％Fe、20％Nb、3％Cr，将所取的粉末称重配料后放入混粉机内混合1小时后，加入U形铝带槽中，填充率为38％，然后将U形铝带槽合口，使粉末包覆其中，再经过多道拉丝减径至直径为2.0mm，最后将成品粉芯丝材绕制成出厂所需盘状，并经计量和包装后形成可出厂产品。

以实施例3制备的粉芯丝材为材料，采用高速电弧喷涂技术在铝合金表面制备Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层所用的喷涂工艺参数为：喷涂电流为130A，喷涂电压为34V，喷涂气体压力为0.7MPa，喷涂距离为180mm。

制备的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层的硬度分布图如图7所示，涂层平均显微硬度为HV_0.1371。

从上述实施例可以看出，本发明提供的粉芯丝材，可制备出具有较高非晶含量、较高硬度和优异防腐耐磨性能的Al-Fe-Nb-Cr非晶涂层，可为轻度腐蚀、磨损工况下服役的铝合金部件提供有效的表面防护，具有较广阔的应用前景。