本發(fā)明屬于材料加工工程的熱噴涂領(lǐng)域，具體涉及一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

水輪機(jī)、水泵等水力機(jī)械過(guò)流部件在海洋環(huán)境中往往受到空蝕、腐蝕等因素的綜合作用，使過(guò)流部件的表面金屬流失、形成具有凸起和坑洞的蜂窩狀表面，導(dǎo)致水力機(jī)械的工作效率降低，使用壽命減短。目前，在過(guò)流部件表面涂覆涂層以提高工件使用性能的方法受到了人們廣泛的關(guān)注。

非晶態(tài)材料由于具有完全均一的組成，因此表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的物理性能、機(jī)械性能、成型性能以及化學(xué)性能，如具有高磁導(dǎo)率、低矯頑力、高彈性極限、優(yōu)良的超塑性變形能力、良好的抗空蝕性能和耐腐蝕性能等。其中，鐵基非晶自其開(kāi)發(fā)以來(lái)就受到了廣泛的關(guān)注，這是因?yàn)殍F基非晶不但具有超高的強(qiáng)度和硬度、優(yōu)異的抗空蝕性能和耐腐蝕性能，而且由于相對(duì)豐富的資源而大大地降低了制備非晶材料的成本。但是，由于受到非晶形成能力的限制，目前大厚部件鐵基非晶仍不易制備，并且塊狀鐵基非晶合金在拉伸載荷的作用下的宏觀塑形變形能力很低，這些情況都限制了鐵基非晶的應(yīng)用。

然而，若將脆性的鐵基非晶合金以涂層形式涂覆在基體表面，那么非晶合金的脆性會(huì)大大改善，而非晶合金良好的抗空蝕和耐腐蝕性能仍可以得到發(fā)揮。熱噴涂是目前制備非晶涂層最常用的工藝手段，其中超音速火焰（HVOF）噴涂由于具有高速和相對(duì)較低的溫度這兩個(gè)特征，獲得的涂層往往具有更高的結(jié)合強(qiáng)度、密度和硬度，同時(shí)涂層中的氧化物含量也大大降低，而這些都有利于提高熱噴涂涂層的使用性能。

采用熱噴涂工藝制備鐵基非晶涂層由于具有效率高、質(zhì)量好等特點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但是由于粉末成分設(shè)計(jì)的不盡合理，所制備的非晶涂層往往含有較多的晶相。比如崔崇等利用HVOF噴涂制備了FeCrNiMoSiPB非晶涂層，涂層中含有α-Fe、Ni₃P等晶相（《熱噴涂技術(shù)》 2009 1(1): 49-52）；李飛等利用HVOF噴涂制備了FeCrMoYCB非晶涂層，涂層中含有FeCr、Fe₂B等晶相（《粉末冶金材料科學(xué)與工程》 2012 17(2): 202-206）；柳林等利用活性燃燒高速燃?xì)饣鹧鎳娡考夹g(shù)制備了FeCrMnMoWSiCB非晶涂層，涂層中含有α-Fe、Fe_1.88B_0.12等晶相（柳林，郭瑞強(qiáng)，張誠(chéng)；一種鐵基非晶涂層的制備方法：中國(guó). 201010575897.2 [P]. 2010-12-07）。非晶涂層中晶體的界面往往成為空蝕、腐蝕的薄弱點(diǎn)，使整個(gè)涂層的性能極大降低，因此通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和工藝來(lái)制備一種晶相含量極少甚至不含晶相的鐵基非晶材料具有重要的理論與實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應(yīng)用，制備的涂層非晶含量極高，非晶結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性好，幾乎不含有氧化物，具有優(yōu)異的抗空蝕和耐腐蝕性能、制備成本低等特點(diǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比范圍如下：17-23wt% Cr、2.7-4.5wt% B、0.3-1wt% C、0.5-2.5wt% Si、2-3wt% Cu、3-8wt% Ni、12-18wt% Mo、2-4wt% Co、余量為Fe。

所述的鐵基非晶粉末優(yōu)選各元素重量百分比為：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

所述的一種鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

1）將原料加入感應(yīng)電磁爐加熱熔化；

2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，然后干燥、篩分粉末。

步驟1）中，所述的原料為塊體材料，包括低碳鉻鐵、高碳鉻鐵、鈷、電解銅、電解鎳、硅鐵、鉬鐵、硼鐵、碳化硼和鐵。

步驟1）中加熱熔化的溫度范圍為2300-2400 ℃，優(yōu)選2350 ℃；

步驟1）中原料放置時(shí)，將熔點(diǎn)高的原料放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，可以有效利用下部不易散發(fā)的熱量，同時(shí)降低熔點(diǎn)低的材料中元素的燒損。

步驟2）中，霧化氣壓為8-10 MPa，優(yōu)選10 MPa。

所述的一種鐵基非晶粉末的制備方法，具體為：

1）將上述塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備抗空蝕、耐腐蝕鐵基非晶涂層中的應(yīng)用。

上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備抗空蝕、耐腐蝕鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7-0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量1840-2160 scfh，煤油流量6.2-7.4 gph，噴涂距離280-380 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s；

上述所述的一種鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，設(shè)置的超音速火焰噴涂設(shè)備的參數(shù)優(yōu)選為氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s?？色@得孔隙率低，硬度高，抗空蝕、耐腐蝕性能優(yōu)異的涂層，適用于核潛艇的關(guān)鍵部件、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的凸臺(tái)等高要求構(gòu)件，特別是在惡劣的海洋環(huán)境中更顯出其優(yōu)異性，易于產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用前景廣闊。

在該鐵基非晶的成分中，B、C作為類金屬元素，可以降低非晶合金的臨界冷卻速度，有利于非晶相的形成；Si起提高熔融金屬流動(dòng)性和體系非晶形成能力的作用；Cr的添加可以有效提高所制備的非晶涂層的耐腐蝕性能；Co可以提高體系的玻璃形成能力，拓寬非晶形成范圍；Ni的加入可以提高非晶的熱穩(wěn)定性，同時(shí)還有利于改善非晶涂層的韌性和鈍化性能；加入適量的Mo可以有效改善涂層在海洋環(huán)境中的耐點(diǎn)蝕性能；Cu可以使涂層具有極強(qiáng)的耐微生物腐蝕性能。此外，超音速火焰噴涂制備的該鐵基非晶涂層硬度高、均勻性好、孔隙率低、結(jié)合強(qiáng)度高，顯現(xiàn)出優(yōu)異的抗空蝕性能。因此，上述所述的一種鐵基非晶涂層，在海洋環(huán)境中兼具優(yōu)異的抗空蝕性能和耐腐蝕性能，特別適用于各種水力機(jī)械過(guò)流部件。

有益效果：本發(fā)明的一種鐵基非晶粉末及其制備方法和應(yīng)用，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 通過(guò)調(diào)配添加原子的種類和各原子之間的比例，使得原子間具有較大程度的原子錯(cuò)配，并且這些半徑不同的原子容易形成比較緊密的無(wú)序堆積狀態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致體系自由體積的減少、阻礙元素的擴(kuò)散，提高體系的非晶形成能力和穩(wěn)定性；

2. 采用超音速火焰噴涂技術(shù)，在基體表面可以制備出孔隙率≤2%的致密鐵基非晶涂層；

3. 制備得到的鐵基非晶涂層的非晶相含量在95%以上，結(jié)合強(qiáng)度≥60 MPa，顯微硬度在700 HV_0.3以上；

4. 制備得到的鐵基非晶涂層具有優(yōu)異的耐腐蝕性能，在3.5wt% NaCl溶液中的腐蝕電位約為-400 mV，高于鍍鉻層；腐蝕電流密度約為10 μA·cm^-2，小于鍍鉻層。

5. 制備得到的鐵基非晶涂層具有優(yōu)異的抗空蝕性能，在海洋環(huán)境中的抗空蝕性能優(yōu)于1Cr18Ni9Ti。

6. 制備得到的鐵基非晶涂層熱穩(wěn)定性高，非晶相開(kāi)始晶化溫度達(dá)到600 ℃以上。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的鐵基非晶粉末和涂層的X射線衍射圖譜。

圖2為實(shí)施例1制備的鐵基非晶涂層的掃描照片。

圖3為實(shí)施例1制備的鐵基非晶涂層的顯微硬度分布圖。

圖4為實(shí)施例1制備的鐵基非晶涂層和鍍鉻層的Tafel極化曲線。

具體實(shí)施方式

根據(jù)下述的實(shí)施例，可以更好地理解本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，實(shí)施例所描述的具體的物料配比、工藝條件及其結(jié)果僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而不應(yīng)當(dāng)也不會(huì)限制權(quán)利要求書(shū)中所詳細(xì)描述的本發(fā)明。

本實(shí)施方式中采用DT2000圖像分析軟件依據(jù)灰度法測(cè)量涂層的孔隙率。采用HXD-1000TC顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，選定載荷為300 g，載荷持續(xù)時(shí)間為15 s。采用PARSTAT 2273電化學(xué)工作站測(cè)量涂層的腐蝕電位和腐蝕電流密度。

實(shí)施例1

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

（1）將塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

（2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇9 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

（1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.75 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量1840 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s。

從圖1可以看出，實(shí)施例1制備的粉末和涂層的X射線衍射光譜僅在44°左右有個(gè)饅頭峰，這說(shuō)明在XRD精度內(nèi)，粉末和涂層均為純的非晶相。圖2說(shuō)明，采用超音速火焰噴涂工藝制備的鐵基非晶涂層具有致密的結(jié)構(gòu)，孔隙率和氧化物含量較少。涂層的硬度可達(dá)700 HV_0.3以上（圖3），是基體硬度（200 HV_0.3左右）的3-4倍。圖4表明，在3.5wt% NaCl溶液中，實(shí)施例1制備的非晶涂層的腐蝕電位為-414 mV，高于鍍鉻層的-554 mV；而非晶涂層的腐蝕電流密度為5.199 μA·cm^-2，低于鍍鉻層（14.12 μA·cm^-2），因此實(shí)施例1所制備的鐵基非晶涂層具有比鍍鉻層更好的耐腐蝕性能。

實(shí)施例2

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、3.6wt% B、0.5wt% C、1.5wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

（1）將塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

（2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

（1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s。

實(shí)施例3

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、2.7wt% B、0.375wt% C、1.125wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

（1）將塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

（2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇8 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

（1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，噴涂距離330 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s。

實(shí)施例4

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

（1）將塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

（2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇8 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

（1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.8 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量1840 scfh，煤油流量6.2 gph，噴涂距離380 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s。

實(shí)施例5

一種鐵基非晶粉末，所述粉末由以下元素組成，各元素重量百分比如下：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量為Fe。

鐵基非晶粉末的制備方法，包括如下步驟：

（1）將塊體原料按計(jì)算的配比加入感應(yīng)電磁爐，熔點(diǎn)高的放在下部、熔點(diǎn)低的放在上部，加熱到2350 ℃使材料全部熔化；

（2）對(duì)熔化的金屬液進(jìn)行水霧化，水霧化氣壓選擇10 MPa，然后干燥粉末3小時(shí)；

（3）篩分325目到800目之間的粉末并真空封裝。

所制備鐵基非晶粉末在制備鐵基非晶涂層中的應(yīng)用，包括如下步驟：

（1）對(duì)基體表面進(jìn)行預(yù)處理：將基體表面除銹除油后，在氣壓為0.7 MPa下，采用粒度為5-35目的棕剛玉砂，對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂粗化；

（2）將粉末放入超音速火焰噴涂設(shè)備（JP-8000），在預(yù)處理后的基體表面上進(jìn)行噴涂，噴涂的工藝參數(shù)設(shè)置為：氧氣流量2160 scfh，煤油流量7.4 gph，噴涂距離280 mm，載氣流量23 scfh，送粉器轉(zhuǎn)速5.5 rpm，噴槍移動(dòng)速度280 mm/s。

上述實(shí)施例1~實(shí)施例5制備的鐵基非晶涂層的孔隙率、顯微硬度、在3.5wt% NaCl溶液中的腐蝕電位和腐蝕電流密度，其檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1