[发明专利]一种超硬高耐冲蚀非晶钢涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及具有良好玻璃形成能力的铁基非晶合金(非晶钢)，特别提供了一种适于制备超硬高耐冲蚀非晶钢涂层的技术方法，以及该非晶钢涂层在诸多领域的潜在应用。

背景技术

非晶态合金(亦称金属玻璃)被喻为材料领域发展历程中继“钢铁”、“塑料”之后的第三次变革。与常规多晶金属材料相比，非晶态合金呈现出长程无序、短程有序的结构特性，具有许多优异的力学和物理性能。非晶钢是金属玻璃领域中非常重要的合金体系，它不仅具有优良的高强度特性，而且在耐腐蚀、抗磨损方面也表现出突出的性能。另外，其制备成本低廉，具有极其广泛的应用前景。

据美国专利US 7052561和US20060213587报道，C.T.Liu和S.J.Poon发现了直径为12mm的大块非晶钢成分，且具有高强度、高硬度、好的耐蚀性和独特的无磁性能。Acta Materialia50(2002)489-497报道，S.J.Pang等人对几种非晶钢的耐蚀性进行了研究，发现其具有十分优异的耐蚀性并制备了直径为2～3mm的非晶钢。但非晶钢普遍存在塑性差的特点，所以其作为结构材料受到了极大的限制。目前为止，其应用主要被限制在薄带、粉末等低维形状上。基于非晶钢独特的高耐蚀性和耐磨性，其作为一种表面防护涂层材料，具有相当可观的应用价值。

冲刷腐蚀是材料表面在受到冲刷和腐蚀的交互作用下产生的一种危害性很大的局部腐蚀，广泛存在于石油、化工、水电、矿山等工业过程中。暴露在运动流体中的所有类型的设备如料浆泵的过流部件、弯头、三通和换热器管，都会遭受到冲刷腐蚀的破坏，尤其是在含固相颗粒或腐蚀性介质的双相流中，破坏更为严重，这大大缩短了设备的寿命。为此需要一种既耐蚀又耐冲刷的涂层材料。而非晶合金则完全可以满足这方面的需要。

目前，制备涂层采用较多的工艺就是等离子喷涂技术和超音速火焰喷涂技术。而现有工业中应用最多的等离子喷涂主要是空气等离子喷涂，由于其喷涂过程中氧化严重且喷涂速度低，制备的涂层结构和性能不理想，且不利于非晶相的形成。为此加拿大西北Mettech公司开发了一种高速三电极(Axial III)等离子喷涂设备。该系统采用独特的轴向送粉方式，使得其具有极高的沉积效率和送粉速率；另外，加上其独特的惰性气体保护措施，使得其在制备金属涂层时氧化现象明显降低，从而该技术在制备非晶纳米合金涂层方面具备了很大的优势。另外通过喷嘴的调节，可以实现喷涂颗粒速度达到超音速火焰喷涂的速度水平。因而利用三电极等离子喷涂制备的涂层具有高致密度、氧含量低、结合强度高和极高的沉积效率等特性。

近些年来，有关非晶涂层的研究也越来越引起国内外的高度重视。这也正是基于非晶合金的众多突出性能。早在2000年6月，美国国防部的“DARPA”(The Defense Advanced Research Projects Agency)就启动了一系列有关“SAM”(Structure Amorphous Metal)的重大研究项目，其中，高性能非晶态涂层的研究与应用被列为重点课题。非晶钢优异的耐蚀性和无磁性，可以使得其在先进船舶壳体上，作为耐蚀涂层；其优异的耐蚀性和耐磨性以及高的硼含量，为核废料处理工业提供了一种新的材料应用载体；当然还有很多有待开发的应用领域。为此，开发具有我国自主知识产权的高性能非晶钢涂层具有重大的战略意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极具工业化应用的制备超硬高耐冲蚀非晶合金涂层的技术，并探索非晶钢涂层的应用领域，进而使得非晶钢涂层能作为一种优异的工业材料而应用。

本发明提供了一种非晶钢涂层的制备方法，其特征在于：利用超声气体雾化技术制备非晶钢粉末，然后利用Mettech公司开发的高速三电极(Axial III)等离子喷涂制备非晶钢涂层，其工艺灵活，成本低廉，制备的涂层性能极佳。

为了制备出性能突出的非晶钢涂层，本发明提供了如下技术方案：

本发明非晶钢涂层，根据工程需要和元素特性，选择了一种多组元的非晶钢成分。首先利用真空感应熔炼的方法制得母合金，该合金成分由下述元素组成，重量百分比为：

Cr：17～20

Mo：5～15

Mn：2～3

W：5～8

B：2～4

C：1～2

Si：1～2

Fe：余量；

所制备的涂层中非晶相的含量为70％～90％，氧含量仅为0.12％。