热喷涂铁基非晶涂层的研究进展

2021-12-04陈文波唐定兵

世界有色金属 2021年17期

陈文波，焦健，唐定兵

（中国电子科技集团有限公司第九研究所（西南应用磁学研究所），四川绵阳 621000）

非晶材料是一种亚稳态材料具有长程无序的特殊结构同时不存在位错、晶界等晶体缺陷。因此，该类材料具有各向同性特征同时兼备高强度、高韧性和良好耐磨耐蚀性能[1]。非晶材料在其制备过程中需要通过快速冷却的方式把亚稳态组织保留下来，因此，通过目前已有手段制备非晶块体材料的尺寸极为有限。涂层材料作为一种近二维材料，其厚度方向尺寸小而其他方向尺寸可根据基体材料尺寸任意变化，将非晶材料以涂层形式沉积在基体表面能够最大限度地降低其尺寸方面的限制[2]。铁基非晶涂层除了具有一般非晶合金所具备的特征外，还兼有成本低和优异的功能性能等特征。因此，铁基非晶涂层的制备受到了研究人员的广泛关注。热喷涂具有可喷涂材料范围广，生产效率高，涂层成分和厚度精确可控且不受基体尺寸形状限制等特点是一种制备铁基非晶涂层的重要方法[3]。因此，本文首先介绍了热喷涂领域常用的几种涂层制备方法，并从涂层成分调控和性能研究等方面针对热喷涂制备铁基非晶涂层的研究进展进行了综述和展望。

1 热喷涂技术

涂层材料的热喷涂沉积过程中，粉末原料在热源的加热作用下形成熔化或半熔化状态的熔滴并加速，之后熔滴以一定速度撞击基体并在基体表面堆叠快速凝固成涂层。根据热源加热原理的不同，热喷涂技术可分为等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂和爆炸喷涂等[4-6]。

1.1 等离子喷涂

等离子喷涂技术将等离子束流作为加热源，将喷涂粉末加热至熔融状态，再高速地喷射并以极高的冷却速率在基体表面凝固。等离子喷涂过程中由于加热源温度极高且熔滴飞行速度极快，等离子束流又有较高的温度可与基体间形成较大的温度梯度，为非晶涂层的形成提供了必要而有利的条件。

1.2 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂喷射出的焰流速度可高达103m/s。超音速火焰喷涂利用燃料与高压氧气在燃烧室或特殊喷嘴结构中进行的混合、燃烧，将喷涂粉末加热到熔化或半熔化状态再高速地从喷枪中喷射出，在工件表面上沉积形成涂层。与火焰的加热过程相比，超音速火焰喷涂过程中，粉末原料在高压气体作用下被赋予的动能在涂层的沉积过程中占据主导地位。

1.3 电弧喷涂

与等离子喷涂和超音速火焰喷涂相比，电弧喷涂是出现得较早，是一种被更早研发出来并得以推广应用的热喷涂工艺之一。电弧喷涂过程中，以电弧作为热源来加热并熔化喷涂材料，利用高速气流将喷涂材料雾化成尺寸极小的熔滴，再加速熔滴使其撞击到工件表面形成涂层。由于电弧喷涂的加热源加热温度有限，该技术通常被用于熔点相对较低的金属涂层的制备，在制备熔点相对较高的陶瓷涂层方面则能力有限。

1.4 爆炸喷涂

爆炸喷涂属于脉冲式喷涂，喷涂过程中，基体不会持续受到热量冲击。因此，利用爆炸喷涂制备的涂层的化程度较低，具备较高的非晶度[7]。

2 热喷涂制备铁基非晶涂层的研究进展

2.1 成分调控

铁基非晶合金的典型成分特征是含一定比例的如B、P、C、Si等类金属元素。这些类金属元素的重要作用是促进非晶相的形成，同时，在材料表面形成一定厚度的钝化膜，进而增强非晶合金的耐腐蚀性能。目前，国际上在利用热喷涂制备非晶涂层方面已经开展了大量的研究工作。20世纪80年代，即采用火焰喷涂技术首次成功制备了FeNiPB非晶涂层，引起了科学界的广泛关注。随后又进一步对喷涂材料和工艺进行优化，利用超音速火焰喷涂制备出FeCrMoPC非晶涂层，并明确了涂层中的非晶含量与喷涂工艺之间的联系。

近年来，我国在非晶合金涂层领域研究也取得了大量研究成果。制备出了Fe-Cr-Mo-C-B系的非晶涂层，并针对Cr元素的加入量对该体系的非晶涂层耐蚀性的影响进行了系统研究。

通过考察Si元素的加入量对Fe-Si-B-P-Cu系非晶合金涂层耐蚀性的影响，发现体系中Si含量的增加，能降低电解液中电化学反应发生的程度，使涂层腐蚀速率降低。采用向SAM2X5系列铁基非晶体系中加入Mo、W、Mn等元素的方法研究其与Cr在涂层钝化过程中的协同作用发现适量的Mo与W的添加能够使涂层在较低电位下形成均匀致密的钝化膜，并且Mn的加入能够增强涂层在高电位下的钝化能力，提高涂层的耐蚀性。

2.2 Fe基非晶涂层的性能研究

非晶合金粉末在经过等离子加热后，其温度通常可达10000℃以上，而将颗粒撞击到较冷的基体表面时，其冷却速度可高达106～108K/s。在FeCrMoCB合金粉末的性能研究试验中发现所有非晶涂层的XRD谱均呈现非晶相特有的漫散射峰，没有尖锐的晶化相析出，其表面存在若干的杂质导致了DTA曲线常常出现较为平缓的晶化放热峰。宏观上Fe基非晶合金涂层表面相对平坦，涂层表面具有良好的金属光泽和表面光洁度，没有明显的开裂。大多数情况可直接用于工作涂层而无需任何处理，显示了等离子喷涂在非晶合金涂层制备中的优越性[6]。微观组织上，涂层多由变形良好的板条状粒子、未变形的球形颗粒和孔隙组成，且涂层与基体的交界为波浪形的不平整界面，呈现出犬牙交错的现象。

在Fe基非晶涂层截面组织上，涂层与基体间的界面通常较明显，但涂层内不存在明显的裂纹和间隙。在用浓硫酸腐蚀Fe基非晶涂层之后，其涂层颗粒之间出现粘合界面，得出涂层通过重叠颗粒形成并彼此不完全重叠以在扁平颗粒之间形成孔隙。Fe基非晶涂层基本由单一非晶相组成和少量的纳米晶组成，其中纳米晶仅存在于涂层内的氧化物界面中。粉末粒径对非晶涂层的结构与耐磨耐蚀性能有显著的影响，其具体表现为，使用粒径尺寸更小的粉末制备出的涂层展现出更为致密的结构；而采用粒径尺寸较大的粉末制备出的涂层表现出更加优异的耐腐蚀性能。同时，非晶涂层的耐腐蚀性能与涂层的润湿性及氧含量紧密相关，其中涂层表面的润湿性主要受氧含量和涂层粗糙度的影响，并且具备低氧含量和疏水特性的非晶涂层表现出更加优异的耐腐蚀性能。

通过研究涂层的耐腐蚀性与表面粗糙度的关系时发现，涂层表面越粗糙，其耐腐蚀性能越差。利用等离子喷涂制备的Fe基非晶涂层的耐磨性能较好，其磨损是一个缓慢逐层磨削过程。

还有研究发现铁基非晶态合金涂层具有很高的硬度及致密度，主要磨损类型为粘着磨损和疲劳磨损[8]。铁基非晶态合金涂层具有很好的耐磨性能，主要磨损类型是氧化磨损与剥层磨损。通过将Fe基非晶涂层在H2SO4、HCl和NaOH溶液中进行浸泡腐蚀和电化学分析试验发现该涂层具有优异的耐腐蚀能力[9]。