利用冷喷涂技术制备具有取向的铁基磁致伸缩涂层的方法与流程

本发明属于磁性材料领域，特别涉及一种利用冷喷涂技术制备具有取向的铁基磁致伸缩涂层的方法。

背景技术：

铁磁性及亚铁磁性材料在磁化状态发生改变时，其自身的长度或体积会发生微小变化，这种现象称为磁致伸缩。体积的变化称为体积磁致伸缩，长度的变化称为线磁致伸缩。由于体积磁致伸缩变化非常小，实用价值不高，通常所说的磁致伸缩主要是指线磁致伸缩。对应线磁致伸缩系数λ＝ΔL/L(L是材料原始长度，ΔL为外加磁场下材料的长度的变化量)。当λ>0，即外加磁场下，材料沿磁场方向伸长，称为正磁致伸缩效应；反之，λ<0，则称为负磁致伸缩效应。材料在在外加磁场下，所产生的最大应变量，称为饱和磁致伸缩系数(λs)，对应的磁场的大小，称为饱和磁化场(Hs)。

磁致伸缩材料能实现电磁能和机械能的相互转换，具有输出功率大、能量密度高、可靠性好等优点，是重要的能量和信息转换材料，是高技术领域最重要的功能材料之一，在水声换能器、超声换能器、电声转换、精密制动器、减震与防噪、智能机械、微位移控制等高技术领域有广泛的应用前景。

基于铁磁材料的磁致伸缩特性，压电超声换能器和电磁超声换能器在被测试样内激发出和接受超声波，但与磁致伸缩特性相反，当铁磁材料的尺寸发生变化时，会引起磁畴的转动或移动，进而会在材料内部产生磁效应，这种现象称为逆磁致伸缩效应，铁磁材料的磁致伸缩效应和逆磁致伸缩效应是铁磁试样中激发和接受超声波的主要原因。磁致伸缩导波无损检测作为一种新型的无损检测技术，拥有长距离快速检测的优点，尤其适用于各种石油、化工及天然气管道的在役检测与监测、高速铁路轨道无损检测、斜拉桥和悬索桥锚固区的在役检测、大型结构和各种埋地构件的状态监控，具有广阔的市场前景和应用价值。

目前用于超声导波无损检测的铁磁材料主要是磁致伸缩薄带，美国西南研究所的Kwun博士最先提出了一种用于管道周向裂纹检测的在管道内沿轴向传播的基于磁致伸缩机理的电磁超声换能器，在对L模式电磁超声导波研究的基础上，Kwun博士又提出了一种用于产生T模式超声导波的EMAT结构，EMAT器由线圈、镍带和被测管道组成。韩国的KimYY教授及其课题组研究人员试图通过改变镍带的使用方式，使EMAT具有选频特性。但薄带与被测试样之间是由环氧树脂起固定作用的，同时也作为超声导波在磁致伸缩薄带和被测试样之间的耦合介质，但是环氧树脂不能抵抗较重的地下潮气，并且抗紫外线能力差，涂层容易突起，前期会形成鼓包，长期使用就会破裂、脱落，不能长期用于室外，否则会加速老化，如变色、降低强度甚至粉化、脱落等，因此合金薄带不能长期用于超声导波检测和在役监测，所以考虑磁致伸缩涂层，把磁致伸缩材料的粉末采用冷喷涂的方式喷到被检测试样表面形成涂层涂层，涂层结合强度高、致密，可以长期用于超声导波检测，实现永久性服役。

前期本课题组已经做过用涂层代替薄带来应用于超声导波检测，但是涂层磁致伸缩性能不高，λ_//接近40ppm，考虑到取向是决定Fe-Ga等合金材料磁致伸缩性能的关键因素，我们采用在金属基体的底部或两端固定磁体如图1，通过冷喷涂的方式获得沿各个方向的取向涂层。而技术磁化中，磁矩的转动和非180°畴壁转动导致合金材料产生线性磁致伸缩应变，沿易磁化取向的磁致伸缩性能最好。因此Fe-Ga，Fe-Al，Fe-Ni合金<001>取向为其易磁化方向，<001>取向单晶和多晶具有很高的磁致伸缩性能。我们测得Fe-Ga合金涂层<001>取向的λ_//接近80ppm，如图2所示。

因此提供一种利用冷喷涂技术制备具有取向的铁基磁致伸缩涂层的方法具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种利用冷喷涂技术制备具有取向的铁基磁致伸缩涂层的方法，用于超声导波无损检测，克服磁致伸缩薄带长期使用易脱落、氧化及其他方法制备涂层应用于超声导波检测性能不高的缺点，实现永久性服役。

1.一种利用冷喷涂技术制备具有取向的铁基磁致伸缩涂层的方法，其特征在于以金属材料为基体，以冷喷涂的方式喷射铁基磁致伸缩材料气雾化球形粉，通过在基体的底部或两端放置永磁体提供取向场，从而获得沿磁场方向的取向涂层；具体制备步骤如下：

(1)用气雾化的方式制备铁基磁致伸缩材料的球形粉末；

(2)对金属基底进行表面处理；

(3)在金属基体上固定磁体；

(4)采用冷喷涂将前述的铁基磁致伸缩粉末喷涂于金属基体表面，获得具有取向的磁致伸缩涂层。

如上所述取向磁致伸缩粉末的合金成分，按原子百分比计，表示为：Fe_100-x-yGa_xM_y(x＝13～30)，Fe_100-x-yAl_xM_y(x＝10～27)，Fe_100-x-yCo_xM_y(x＝45～75)，Fe_100-x-yNi_xM_y(x＝25～65)，其中M为B、Si、Ti、V、Cr、Mn、Zn、Ga、Nb、Ta和W中的一种或几种，y＝0.01～0.6；余量为铁。

步骤(1)所述球形气雾化粉末是粒径为5～25um的各向异性单晶粉。

步骤(2)所述金属基底为316L不锈钢；所述表面处理方法为喷砂粗化处理。

步骤(3)所述磁体的磁场范围为0.1～2T。

步骤(4)所述的冷喷涂条件如下：工作气体和送粉气体均为氮气，工作气体压力为2.5MPa～4.0MPa，工作气体温度为400℃～800℃，喷涂距离为60mm～120mm，给料速度为50g/min～250g/min。

本发明的优点是：

1)采用具有各向异性的单晶铁基磁致伸缩材料粉末，在磁场下能够获得具有一定的取向涂层；

2)具有一定取向的涂层沿某一方向加磁场，该方向具有强的磁致伸缩系数；

3)采用冷喷涂技术制备涂层，可在大气环境下进行，对工件要求低，易工程化应用；

4)采用冷喷涂技术制备涂层，生产温度低，不容易发生相变，晶粒不容易长大，氧化现象不容易发生，制备涂层质量好等；

5)铁基磁致伸缩涂层涂层用于超声导波无损检测，克服磁致伸缩薄带长期使用易脱落、氧化的缺点，可实现长期检测和使用。

附图说明

图1为Fe-Ga磁致伸缩涂层的λ-H曲线，

图2为冷喷涂的基底金属块的夹楔装置示意图，

图3为铁镓球形气雾化粉末的单晶颗粒截面。

具体实施方式

尽管参照本发明的下述示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性的劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

实施例1：利用冷喷涂技术制备具有取向的铁镓磁致伸缩涂层的方法

1.配制Fe₈₁Ga_18.6B_0.4(x＝13～29)(以上x为原子百分比)，在氧化铝坩埚的真空熔炼炉内进行第一次熔炼制备合金铸锭，机加工去除铸锭表面氧化皮，把预处理过的铸锭放进高压气雾化制粉装置中进行二次熔炼，在真空中加热到1650℃保温10分钟，雾化气体采用高纯氩气，雾化压力为3.9MPa，喷粉压力为0.5mbar，经过高速气流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形气雾化粉末；

2.喷砂粗化处理金属基体，再用丙酮和酒精分别进行超声振动，吹干，以清洗表面杂质；

3.在金属基体的两端上固定磁体,磁体的强度为1.5T；

4.球形气雾化粉末是粒径为5～25um的各向异性单晶高压球形气雾化粉末。

5.采用冷喷涂将前述的铁基磁致伸缩粉末喷涂于金属基体表面，工作气体和送粉气体均为氮气，工作气体压力为2.5MPa～4.0MPa，工作气体温度为600℃，喷涂距离为80mm，给料速度为60g/min，获得具有取向的铁镓磁致伸缩涂层，λ-H曲线如图2所示。

实施例2：利用冷喷涂技术制备具有取向的铁铝磁致伸缩涂层的方法

1.配制Fe₈₀Al_19.4Si_0.6(x＝10-25)(以上x为原子百分比)，在氧化铝坩埚的真空熔炼炉内进行第一次熔炼制备合金铸锭，机加工去除铸锭表面氧化皮，把预处理过的铸锭放进高压气雾化制粉装置中进行二次熔炼，在真空中加热到1680℃保温10分钟，雾化气体采用高纯氩气，雾化压力为3.7Mpa，喷粉压力为0.23mbar，经过高速气流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形气雾化粉末；

2.喷砂粗化处理金属基体，再用丙酮和酒精分别进行超声振动，吹干，以清洗表面杂质；

3.在金属基体的两端上固定磁体,磁体的强度为1.5T；

4.球形气雾化粉末是粒径为5～25um的各向异性单晶高压球形气雾化粉末。

5.采用冷喷涂将前述的铁基磁致伸缩粉末喷涂于金属基体表面，工作气体和送粉气体均为氮气，工作气体压力为2.5MPa～4.0MPa，工作气体温度为600℃，喷涂距离为80mm，给料速度为60g/min，获得具有取向的铁铝磁致伸缩涂层。