[发明专利]一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，特别涉及一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。

背景技术

断裂、腐蚀和磨损是金属材料失效的三种主要方式，其中最严重的损失在于材料的磨损，占总消耗量的50％左右。各类磨损、腐蚀所引起的失效往往发生于材料及其构件的表面，为了防止一些在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下工作的零件因其表面局部损坏而使整个零件报废，为提高零件的可靠性，延长使用寿命，研究人员开发了大批实用、先进、高效的表面工程技术修复或强化零件表面，制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。

近年来，随着非晶合金的发现以及对其研究的深入，非晶合金的高抗腐蚀性、高强度、高硬度和高抗磨损性让人们在提高材料耐磨耐腐蚀性能上产生了一种新的思路。由于非晶合金涂层相对较易实现，人们相继开发出了热喷涂、激光熔覆、化学镀等一系列非晶涂层制备方法。但是这些方法制备的非晶涂层与基体的结合强度较弱、涂层厚度太薄，从而在一定程度上限制了它的发展和应用。

目前国内外专利报道的非晶涂层制备方法更多的在于热喷涂、激光熔覆等方法制备的薄涂层，而堆焊方法由于过程中冷却速度较低，得到非晶涂层的难度相对较大，使得在这方面的专利报道较少。CN103128421B报道了“一种铁基非晶/纳米晶复合涂层的制备方法”，采用手工电弧焊的方法制备出一种铁基非晶/纳米晶复合涂层。与手工电弧焊相比，等离子堆焊不仅堆焊效率高、堆焊质量好，而且操作方便、安全。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬度高，耐磨性能好，抗裂纹性能好的铁基非晶纳米晶复合涂层。

本发明另一目的是提供一种简单、可靠、安全、低成本的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法，通过等离子堆焊法制备而成。该方法可以很容易的制备厚度达几个毫米的堆焊层，并且该方法为冶金结合工艺，相对于现有铁基非晶纳米晶涂层的热喷涂法，即机械结合方法，等离子堆焊方法使得堆焊涂层与基材结合的更为牢固。所述等离子堆焊法包括下述具体步骤：

(1)将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按比例配制成原料并制备成粒度为100～300μm的合金粉末；

(2)对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗；

(3)采用等离子堆焊机，将经步骤(1)制备好的合金粉末堆焊成合金涂层，其中，等离子堆焊机的各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；

其中，铁基非晶纳米晶复合涂层的堆焊涂层厚度按实际要求进行控制。

(4)等离子堆焊结束后，将等离子堆焊涂层和基材在空气中自然冷却到室温即完成该铁基非晶纳米晶复合涂层的制备。

优选地，所述步骤(1)中所述合金粉末采用真空气雾法制备而成：将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按比例配制后置于真空感应炉中熔化、精炼，然后将熔融的金属液体倒入保温坩埚中并进入雾化炉中，经高压气体流雾化并在雾化塔中凝固、沉降，落入收粉罐中得到。

其中，上述合金粉末除了可以采用现有技术中将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，经熔化后采用水雾化或者气雾化的方法雾化成粉末的方法进行制备；也可以采用将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，熔化后凝固、粉碎，即采用物理方法制备粉末；或者采用本领域技术人员惯用的其他方法制备。

优选地，所述步骤(1)中按照比例配制的合金粉末的成分为：

Fe_70.89Ni_1.37Cu_1.34Nb_3.1B_18.77C_2.75Si_1.01Mn_0.77，其中，各数值为原子百分数。