一种铁基非晶粉末及其制备方法和应用与流程
本发明属于材料加工工程的热喷涂领域，具体涉及一种铁基非晶粉末及其制备方法和应用。
背景技术：
水轮机、水泵等水力机械过流部件在海洋环境中往往受到空蚀、腐蚀等因素的综合作用，使过流部件的表面金属流失、形成具有凸起和坑洞的蜂窝状表面，导致水力机械的工作效率降低，使用寿命减短。目前，在过流部件表面涂覆涂层以提高工件使用性能的方法受到了人们广泛的关注。
非晶态材料由于具有完全均一的组成，因此表现出一系列优异的物理性能、机械性能、成型性能以及化学性能，如具有高磁导率、低矫顽力、高弹性极限、优良的超塑性变形能力、良好的抗空蚀性能和耐腐蚀性能等。其中，铁基非晶自其开发以来就受到了广泛的关注，这是因为铁基非晶不但具有超高的强度和硬度、优异的抗空蚀性能和耐腐蚀性能，而且由于相对丰富的资源而大大地降低了制备非晶材料的成本。但是，由于受到非晶形成能力的限制，目前大厚部件铁基非晶仍不易制备，并且块状铁基非晶合金在拉伸载荷的作用下的宏观塑形变形能力很低，这些情况都限制了铁基非晶的应用。
然而，若将脆性的铁基非晶合金以涂层形式涂覆在基体表面，那么非晶合金的脆性会大大改善，而非晶合金良好的抗空蚀和耐腐蚀性能仍可以得到发挥。热喷涂是目前制备非晶涂层最常用的工艺手段，其中超音速火焰（HVOF）喷涂由于具有高速和相对较低的温度这两个特征，获得的涂层往往具有更高的结合强度、密度和硬度，同时涂层中的氧化物含量也大大降低，而这些都有利于提高热喷涂涂层的使用性能。
采用热喷涂工艺制备铁基非晶涂层由于具有效率高、质量好等特点，引起了国内外学者的广泛关注，但是由于粉末成分设计的不尽合理，所制备的非晶涂层往往含有较多的晶相。比如崔崇等利用HVOF喷涂制备了FeCrNiMoSiPB非晶涂层，涂层中含有α-Fe、Ni3P等晶相（《热喷涂技术》 2009 1(1): 49-52）；李飞等利用HVOF喷涂制备了FeCrMoYCB非晶涂层，涂层中含有FeCr、Fe2B等晶相（《粉末冶金材料科学与工程》 2012 17(2): 202-206）；柳林等利用活性燃烧高速燃气火焰喷涂技术制备了FeCrMnMoWSiCB非晶涂层，涂层中含有α-Fe、Fe1.88B0.12等晶相（柳林，郭瑞强，张诚；一种铁基非晶涂层的制备方法：中国. 201010575897.2 [P]. 2010-12-07）。非晶涂层中晶体的界面往往成为空蚀、腐蚀的薄弱点，使整个涂层的性能极大降低，因此通过合理的成分设计和工艺来制备一种晶相含量极少甚至不含晶相的铁基非晶材料具有重要的理论与实际意义。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种铁基非晶粉末及其制备方法和应用，制备的涂层非晶含量极高，非晶结构的热稳定性好，几乎不含有氧化物，具有优异的抗空蚀和耐腐蚀性能、制备成本低等特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，各元素重量百分比范围如下：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、余量为Fe。
所述的铁基非晶粉末优选各元素重量百分比为：20wt% Cr、4.5wt% B、0.625wt% C、1.875wt% Si、2.5wt% Cu、5wt% Ni、15wt% Mo、3wt% Co、余量为Fe。
所述的一种铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
1）将原料加入感应电磁炉加热熔化；
2）对熔化的金属液进行水雾化，然后干燥、筛分粉末。
步骤1）中，所述的原料为块体材料，包括低碳铬铁、高碳铬铁、钴、电解铜、电解镍、硅铁、钼铁、硼铁、碳化硼和铁。
步骤1）中加热熔化的温度范围为2300-2400 ℃，优选2350 ℃；
步骤1）中原料放置时，将熔点高的原料放在下部、熔点低的放在上部，可以有效利用下部不易散发的热量，同时降低熔点低的材料中元素的烧损。
步骤2）中，雾化气压为8-10 MPa，优选10 MPa。
所述的一种铁基非晶粉末的制备方法，具体为：
1）将上述块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择10 MPa，然后干燥粉末3小时；
3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
上述所述的一种铁基非晶粉末在制备抗空蚀、耐腐蚀铁基非晶涂层中的应用。
上述所述的一种铁基非晶粉末在制备抗空蚀、耐腐蚀铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7-0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量1840-2160 scfh，煤油流量6.2-7.4 gph，喷涂距离280-380 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s；
上述所述的一种铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，设置的超音速火焰喷涂设备的参数优选为氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。可获得孔隙率低，硬度高，抗空蚀、耐腐蚀性能优异的涂层，适用于核潜艇的关键部件、飞机发动机零部件、航空发动机叶片的凸台等高要求构件，特别是在恶劣的海洋环境中更显出其优异性，易于产业化，应用前景广阔。
在该铁基非晶的成分中，B、C作为类金属元素，可以降低非晶合金的临界冷却速度，有利于非晶相的形成；Si起提高熔融金属流动性和体系非晶形成能力的作用；Cr的添加可以有效提高所制备的非晶涂层的耐腐蚀性能；Co可以提高体系的玻璃形成能力，拓宽非晶形成范围；Ni的加入可以提高非晶的热稳定性，同时还有利于改善非晶涂层的韧性和钝化性能；加入适量的Mo可以有效改善涂层在海洋环境中的耐点蚀性能；Cu可以使涂层具有极强的耐微生物腐蚀性能。此外，超音速火焰喷涂制备的该铁基非晶涂层硬度高、均匀性好、孔隙率低、结合强度高，显现出优异的抗空蚀性能。因此，上述所述的一种铁基非晶涂层，在海洋环境中兼具优异的抗空蚀性能和耐腐蚀性能，特别适用于各种水力机械过流部件。
有益效果：本发明的一种铁基非晶粉末及其制备方法和应用，具有以下优点：
1. 通过调配添加原子的种类和各原子之间的比例，使得原子间具有较大程度的原子错配，并且这些半径不同的原子容易形成比较紧密的无序堆积状态，这会导致体系自由体积的减少、阻碍元素的扩散，提高体系的非晶形成能力和稳定性；
2. 采用超音速火焰喷涂技术，在基体表面可以制备出孔隙率≤2%的致密铁基非晶涂层；
3. 制备得到的铁基非晶涂层的非晶相含量在95%以上，结合强度≥60 MPa，显微硬度在700 HV0.3以上；
4. 制备得到的铁基非晶涂层具有优异的耐腐蚀性能，在3.5wt% NaCl溶液中的腐蚀电位约为-400 mV，高于镀铬层；腐蚀电流密度约为10 μA·cm-2，小于镀铬层。
5. 制备得到的铁基非晶涂层具有优异的抗空蚀性能，在海洋环境中的抗空蚀性能优于1Cr18Ni9Ti。
6. 制备得到的铁基非晶涂层热稳定性高，非晶相开始晶化温度达到600 ℃以上。
附图说明
图1为实施例1制备的铁基非晶粉末和涂层的X射线衍射图谱。
图2为实施例1制备的铁基非晶涂层的扫描照片。
图3为实施例1制备的铁基非晶涂层的显微硬度分布图。
图4为实施例1制备的铁基非晶涂层和镀铬层的Tafel极化曲线。
具体实施方式
根据下述的实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
本实施方式中采用DT2000图像分析软件依据灰度法测量涂层的孔隙率。采用HXD-1000TC显微硬度计测量涂层的显微硬度，选定载荷为300 g，载荷持续时间为15 s。采用PARSTAT 2273电化学工作站测量涂层的腐蚀电位和腐蚀电流密度。
实施例1
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，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、余量为Fe。
铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择9 MPa，然后干燥粉末3小时；
（3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
所制备铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
（1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.75 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
（2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量1840 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
从图1可以看出，实施例1制备的粉末和涂层的X射线衍射光谱仅在44°左右有个馒头峰，这说明在XRD精度内，粉末和涂层均为纯的非晶相。图2说明，采用超音速火焰喷涂工艺制备的铁基非晶涂层具有致密的结构，孔隙率和氧化物含量较少。涂层的硬度可达700 HV0.3以上（图3），是基体硬度（200 HV0.3左右）的3-4倍。图4表明，在3.5wt% NaCl溶液中，实施例1制备的非晶涂层的腐蚀电位为-414 mV，高于镀铬层的-554 mV；而非晶涂层的腐蚀电流密度为5.199 μA·cm-2，低于镀铬层（14.12 μA·cm-2），因此实施例1所制备的铁基非晶涂层具有比镀铬层更好的耐腐蚀性能。
实施例2
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，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、余量为Fe。
铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择10 MPa，然后干燥粉末3小时；
（3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
所制备铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
（1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
（2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
实施例3
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，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、余量为Fe。
铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择8 MPa，然后干燥粉末3小时；
（3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
所制备铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
（1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
（2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2000 scfh，煤油流量6.8 gph，喷涂距离330 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
实施例4
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，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、余量为Fe。
铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择8 MPa，然后干燥粉末3小时；
（3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
所制备铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
（1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.8 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
（2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量1840 scfh，煤油流量6.2 gph，喷涂距离380 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
实施例5
一种铁基非晶粉末，所述粉末由以下元素组成，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、余量为Fe。
铁基非晶粉末的制备方法，包括如下步骤：
（1）将块体原料按计算的配比加入感应电磁炉，熔点高的放在下部、熔点低的放在上部，加热到2350 ℃使材料全部熔化；
（2）对熔化的金属液进行水雾化，水雾化气压选择10 MPa，然后干燥粉末3小时；
（3）筛分325目到800目之间的粉末并真空封装。
所制备铁基非晶粉末在制备铁基非晶涂层中的应用，包括如下步骤：
（1）对基体表面进行预处理：将基体表面除锈除油后，在气压为0.7 MPa下，采用粒度为5-35目的棕刚玉砂，对基体表面进行喷砂粗化；
（2）将粉末放入超音速火焰喷涂设备（JP-8000），在预处理后的基体表面上进行喷涂，喷涂的工艺参数设置为：氧气流量2160 scfh，煤油流量7.4 gph，喷涂距离280 mm，载气流量23 scfh，送粉器转速5.5 rpm，喷枪移动速度280 mm/s。
上述实施例1~实施例5制备的铁基非晶涂层的孔隙率、显微硬度、在3.5wt% NaCl溶液中的腐蚀电位和腐蚀电流密度，其检测结果如表1所示。
表1
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