[发明专利]一种纳米晶合金涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热喷涂领域，涉及一种纳米晶合金涂层及其用途和制备方法。

背景技术

非晶合金因其独特的组织结构和优异的材料性能，自从发明以来得到了材料科学工作者和产业界的广泛关注，目前各类非晶态材料已经逐步走向实用化，特别是非晶软磁合金带材在电力和电子等领域已经获得广泛应用。非晶合金材料的制备由于受到非晶形成能力和冷却速度的制约，很长时间非晶合金的产品形态主要为薄带、细丝、粉末等，厚度或直径只有数十个微米，在实际中难以在更大范围推广应用，其性能优势远未能够充分发挥出来。即使在块体非晶合金发明以后，由于往往会存在不同程度的晶化，仍然无法有效的制备大面积、大尺寸的非晶合金。非晶合金的晶化包括两个方面：一是在制备中(快速凝固)可能发生的结晶过程，二是在随后的热处理中的晶化过程，二者都受成核与晶体生长两个阶段的控制，都是相变过程。在多数情况下，非晶合金的晶化将导致性能变坏，这是要尽量避免的，但在特殊情况下，如纳米晶化，可能获得所希望的独特性能。1988年日本日立金属公司的Yoshizawa等人在非晶合金基础上通过晶化处理开发出纳米晶软磁合金(Finemet)(文献US4881989和J.Appl.Phys.，1988，64：6044)。此类合金的突出优点在于兼备了铁基非晶合金的高磁感和钴基非晶合金的高磁导率、低损耗，并且是成本低廉的铁基材料。因此铁基纳米晶合金的发明是软磁材料的一个突破性进展，从而把非晶态合金研究开发又推向一个新高潮。纳米晶合金可以替代钴基非晶合金、晶态坡莫合金和铁氧体，在高频电力电子和电子信息领域中获得广泛应用，达到减小体积、降低成本等目的。

表面工程领域是非晶、纳米晶合金材料应用的一个重要领域，采用各种成熟的表面工程技术，如堆焊、热喷涂、激光熔敷、电镀、涂装等，制备的非晶、纳米晶涂层，可以克服非晶合金材料大面积制备上的困难，大大拓宽了非晶、纳米晶合金的应用范围。非晶合金具有独特而优异的性能，如高强度、高韧性、高硬度、耐磨、抗蚀性能以及良好的软磁特性等。如果在材料表面形成一层非晶涂层，可以赋予材料表面拥有不同于基体材料的优异性能。比如，电沉积Ni-P非晶镀层具有高硬度和良好的耐蚀性能、耐磨性和微动摩损及微动疲劳性能，得到了深入的研究和广泛应用，俄罗斯中央黑色冶金研究院的研究者还对Ni-P非晶镀层的电磁屏蔽性能进行了研究。美国专利US4725512提供了一种“在摩擦复杂下可以从晶体向非晶态转变的材料”，利用热喷涂技术喷涂该材料在基体表面性能一层涂层，在服役过程中可以形成一层很薄的非晶层，提高涂层的耐磨性能。Mccartey D.J.用超音速火焰喷涂制备了两种Ni-Cr-Mo-B合金涂层，涂层为单一的非晶结构，具有良好的耐蚀性，在0.5mol/LH2SO4溶液中的腐蚀电位约为-300mV，钝化电流密度约为1mA/cm²(参见文献Thermal SprayTechnology，1999，8(3)：399-404)。不幸的是，除了采用电沉积、气相沉积等技术可以方便的制备出单一非晶态涂层，热喷涂、激光熔敷等技术由于制备中存在加热熔化过程，制备单一非晶态涂层难度较大。即使材料的非晶形成能力较大，也多形成非晶相和晶化相的混合结构。和其它形态的非晶合金一样，如果晶化长大比较充分的话，往往会严重恶化涂层的性能，比如降低涂层的硬度。但是，如果发生纳米晶化，则会改善涂层的性能，提高涂层的硬度。目前，纳米晶结构涂层的制造方法主要包括气相沉积、各类喷涂(含电弧喷涂、火焰喷涂和等离子喷涂等)、镀覆(含电镀和化学镀)等多种方法，对其性能的研究主要集中于超硬耐磨、耐腐蚀性和耐高温稳定性等方面。Daniel J.Branagand等人提供了一种纳米晶涂层的制备方法(文献US6767419B1和US6689234B2)。首先将含有多元素的Fe基成分的材料熔化，采用气雾化或离心雾化等技术将熔体雾化制备成非晶粉末，将该非晶粉末采用等离子喷涂、高速火焰喷涂等技术在基体表面形成非晶涂层，最后在晶化温度到熔点之间热处理涂层晶化形成纳米晶结构涂层。相比较非晶或传统晶态涂层而言，该涂层具有高强度、高硬度和良好的韧性。