专利名称：一种制备铁基涂层用的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明属于材料加工工程中的热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，特别涉及一种用电弧喷涂方法制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，该发明主要应用耐腐蚀、耐磨等工业领域。
背景技术：
腐蚀和磨损是材料失效的主要形式并且多发生在材料表面，在越来越多的实际工况中其往往共同存在相互 交替作用，给国民经济造成巨大损失。表面工程技术是提高材料表面性能，延长材料服役寿命的有效途径，而热喷涂技术是应用最为广泛的技术之一。通过热喷涂在材料表面沉积涂层或金属陶瓷层，提高其耐腐蚀、耐磨损、抗高温氧化等性能。随着技术水平的不断提高，材料的服役环境越来越恶劣。例如，火力发电中的锅炉“四管”既要承受高温及烟气的腐蚀，又要承受粉尘烟气的冲蚀磨损。水电站的水轮机叶片承受砂石的磨损和气蚀。耐腐蚀、耐磨损涂层的开发及应用成为热喷涂领域研究的主要发展趋势。陶瓷材料是一类重要的耐高温腐蚀、氧化和磨损的热喷涂材料。热喷涂制备的含陶瓷相的复合涂层具有优良的耐高温氧化性和耐磨性，尤其是耐腐蚀性，可以形成具有保护作用的氧化膜，有效地减轻熔盐腐蚀。非晶态合金由于金属原子的排列是长城无序的，不存在结晶金属存在的晶界、缺陷、偏析和析出物等，非晶态合金的这种结构决定了它具有许多晶态金属不具有的优异性能，高硬度及耐磨性，同时非晶态合金具有高浓度的化学均匀性，表现出良好的耐腐蚀性。以铁基非晶/纳米晶为陶瓷相SiO2作为支撑基体所制备的金属陶瓷复合涂层将发挥非晶/纳米晶相和陶瓷相各自优点，提高材料在恶劣环境中服役时间的同时降低成本，在实际工程应用中获得更大的经济效益。在众多制备涂层的方法中，热喷涂技术是一种非常有前景的技术。等离子喷涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂等喷涂工艺设备复杂，成本高，不适宜原位大面积现场施工，且喷涂原材料粉体制备复杂。采用堆焊方法对过热器及水冷壁进行表面防护时，保护层在高温时出现剥落不能起到有效的保护作用。而电弧喷涂因具有设备简单、操作方便、喷涂材料制备方便、经济性好、可以实现原位大面积施工等优点，已成为在实际应用领域制备耐腐蚀和耐磨损涂层的主要制备方法。经检索，目前并无采用电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层相关技术的专利报道。
发明内容
本发明旨在获得一种用电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层的粉芯丝材制备方法及应用(本发明的非晶/纳米晶指的是“其中含有非晶和纳米晶生成”)。利用铁基非晶/纳米晶涂层具备良好的耐蚀性和耐磨性及陶瓷相SiO2形成耐腐蚀的保护层及改善涂层耐磨骨架、增强耐磨性的特点，获得同时满足耐腐蚀、耐磨损的涂层。提高材料在恶劣工况环境中服役的稳定性，为获得更高的生产效率和更大的生产价值创造可能。
—种用电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层的粉芯丝材，其特征在于:药芯成分原子百分比为:Cr:15-35at.%;B:5-25at.%;S1:5-25at.%;C:2.5-5.5at.% ；Fe:余量；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带；粉芯丝材填充率:33%。所述粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带。优选所述粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr:20-35at.%;B:5-20at.%;S1:5-25at.%;C:2.5-5.5at.%;Fe:余量。进一步优选所述粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr:25-30at.%;B:10-20at.%;S1: 10_25at.%; C: 3-5at.%; Fe:余量。采用本发明上述粉芯丝材制备一种含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤:步骤1，对基体表面进行预处理:基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化；步骤2，将本发明 上述粉芯丝材进行粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材。步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为:电压28-34V ；电流160-220A ;喷涂距离:200_ ;压缩空气压力:0.4-0.6MPa。步骤3所述喷涂工艺进行优化，将喷涂工艺参数设定为:电压30-32V ；电流180-200A ;喷涂距离:190-210mm ;压缩空气压力:0.5-0.6MPa，制备涂层。采用上述方法制备的一种含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层；将此涂层应用于存在腐蚀及磨损存在的工况中，如将其替代45CT应用在锅炉“四管”上。本发明所述方法制备的一种含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层具有良好的耐腐蚀、耐磨损、抗氧化等性能。在高温的环境下有效抵抗盐类的腐蚀，形成SiO2保护层，阻挡腐蚀介质对基体的腐蚀。涂层含有大量的非晶/纳米晶相显著的提高涂层的硬度及相对耐磨性，延长基体使用寿命，而且铁基涂层成本低，经济性好，可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。本发明所述方法制备的一种含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层所具有的耐热腐蚀性、耐磨性是其自身组分所决定的。其作用为:Fe、Cr元素:Fe元素的氧化物生成速度比Cr元素快，并且比Cr元素含量多，因此在形成Cr2O3氧化膜前，可生成大量的Fe2O3和FeCr2O4,降低了氧化膜与合金界面的氧分压，促进涂层中的Cr形成具有良好耐蚀性的连续致密的Cr2O3氧化膜，伴随Fe元素所形成的尖晶石型化合物FeCr2O4,对涂层起到保护作用。B元素:促进涂层非晶/纳米晶形成能力，降低晶界化学能，增强晶粒间结合力、细化晶粒、减少涂层中的氧化物。Si元素:在涂层中形成陶瓷相SiO2，起到保护涂层，防止腐蚀的作用，作为组织增强相，改善涂层耐磨骨架，提高涂层硬度，增强涂层耐磨性。虽然涂层中的各个元素都是常规的元素，但是涂层的耐磨耐蚀性是通过各个元素的协同作用决定的，并不是单一元素决定的，也不是仅仅通过有限次试验就可以得到的。本发明是提供一种电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层用的粉芯丝材及涂层制备方法。该粉芯丝材经电弧喷涂在材料表面制备涂层后，涂层中含有陶瓷相SiO2增强相，非晶相的含量为1(Γ30%，获得耐蚀好、硬度高、耐磨性好的涂层。提高易腐蚀、磨损部件的服役稳定性。
图1实施例1-13涂层显微硬度变化规律；图2实施例1-13涂层相对耐磨性变化规律；图3实施例13涂层XRD分析图谱及非晶含量测定的拟合曲线，I为拟合曲线，2为 基线；图4实施例5、8、11、13涂层涂盐腐蚀实验曲线；图5实施例13涂层表面SEM图，3为陶瓷相SO2。
具体实施例方式下面通过实施例进一步阐明本发明的实质性特点和显著优点，本发明决非仅局限于所陈述的实施例。各实施例中相同部分如下所述:1.实施例中粉芯丝材外皮选用规格为12X0.3mm (宽度为12臟，厚度为0.3mm)的不锈钢带，粉芯丝材药芯成分在实施例中具体说明，通过已有粉芯丝材轧制技术，将粉芯丝材经逐道拉拔减径至2.0mm ;2.基体选用Q235 (20 X 15 X 5_、57 X 25 X 5mm)及采用Q235钢依照ASTM C633-79(1993年重新核准)中所规定的试件尺寸所制备的拉伸试样棒经粒度为180目砂纸预磨后，采用粒度为40-60目棕刚玉，气体压力0.4-0.6MPa，持续时间IOs/喷涂面工艺对试件进行喷砂粗化处理；3.喷涂工艺参数在实施例中具体说明，磨粒磨损、耐蚀性实验用涂层每次喷涂厚度不超过50 μ m,分多次喷涂到450 μ m ;结合强度试验用涂层在同一实施例中，与磨粒磨损、耐蚀性实验涂层制备工艺参数相同，每次喷涂厚度不超过50 μ m,分多次喷涂到250 μ m。实施例1按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 15at.%; B: 5at.%; S1: 5at.%; C: 2.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压28-30V;电流160-180A;喷涂距离190mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例2按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 15at.%; B: 5at.%; S1: 5at.%; C: 2.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压30-32V;电流180-200A;喷涂距离210mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例3按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 15at.%; B: 5at.%; S1: 5at.%; C: 2.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压32-34V;电流200-220A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例4按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 20at.%; B: 9at.%; S1:1Oat.%; C: 3at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压28-30V;电流160-180A;喷涂距离190mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。 实施例5 按照粉芯 丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 20at.%; B: 9at.%; S1:1Oat.%; C: 3at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压30-32V;电流180-200A;喷涂距离210mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例6按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 20at.%; B: 9at.%; S1:1Oat.%; C: 3at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压32-34V;电流200-220A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例7按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 25at.%; B: 15at.%; S1: 15at.%; C: 5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压28-30V;电流160-180A;喷涂距离190mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例8按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 25at.%; B: 15at.%; S1: 15at.%; C: 5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压30-32V;电流180-200A;喷涂距离210mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例9按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 25at.%; B: 15at.%; S1: 15at.%; C: 5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压32-34V;电流200-220A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例10 按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 35at.%; B: 20at.%; S1: 25at.%; C: 5.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压28-30V;电流160-180A;喷涂距离190mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例11按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr: 35at.%; B: 20at.%; S1: 25at.%; C: 5.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压30-32V;电流180-200A;喷涂距离210mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例12按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr:35at.%;B:20at.%;S1:25at.%;C:5.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压32-34V;电流200-220A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例13按照粉芯丝材药芯成分原子百分比为:Cr:26.5at.%; B: 25at.%; S1: 20at.%; C: 3.5at.%;Fe:余量。填充率:33%，轧制粉芯丝材。制备涂层所用喷涂参数:电压30-32V ;电流180-200A;喷涂距离200mm ;压缩空气压力0.4-0.5MPa。实施例13涂层XRD分析图谱及非晶含量测定拟合曲线见图3。各实施例所制备涂层性能检测如下所述:
1.实施例所制备涂层进行显微硬度测试试验中，采用HXD-1000数字式显微硬度计，载荷100g，持续时间15s，取10点显微硬度平均值。2.对实施例所制备的涂层进行非晶含量测定，图谱在45°左右存在较为宽化的漫散包，由此证明制备的涂层中含有非晶相，通过Verdon方法对各个实施例XRD衍射实验的结果进行Pseudo-Voigt函数拟合，计算得出涂层中非晶含量见表2。3.对实施例中纳米晶晶粒度测量采用X射线衍射半高宽计算方法，即常用的谢乐(Scherrer)公式计算图谱中主峰Fe-Cr相的晶粒尺寸,结果见表2,表明是实施例中存在一定量的纳米晶。4.对实施例所制备涂层进行耐磨损实验，采用MLS-225型湿砂橡胶轮式磨粒磨损试验机进行。试验参数如下:橡胶轮转速:240r/min、橡胶轮直径:178mm、橡胶轮硬度:60(绍尔硬度)、载荷100N、橡胶轮转数:预磨1000转、精磨2000转、磨料:粒度40-70目石英砂。材料耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将时间放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3-5分钟，实验中用Q235钢作为对比试样，对比件失重量与测量件失重量之比作为该配方的相对耐磨性，结果见图2。
5.对实施例所制备涂层进行耐热腐蚀实验，仅选取涂层作为试样，对比试样选用Q235型钢材，规格:20X 15X5mm ;将所有试样进行250°C /20min预热后，利用Na2S04+K2S04混合盐(摩尔比为7:3)进行浸泡，取出后经120°C /2h用于烘干剩余水分，涂盐量:3-5mg/cm2,在650°C空气炉中进行涂盐腐蚀实验，每IOh后取出，置于空气中冷却后称重，经200h循环试验后，选取实施例5、8、11、13涂层涂盐腐蚀曲线，见图4。6.对实施例所制备涂层进行结合强度测试，依照ASTM C633-79 (1993年重新核准)标准所述进行，粘接剂选用上海市合成树脂研究所所制E-7型高温结构胶，胶体配比依照说明书提供，并经100°C /3h固化后进行结合强度测试，见表I。7.对实施例所制备涂层进行孔隙率分析,采用Image Pro Plus6.0图像分析软件，利用图像法分析涂层孔隙率，以评价涂层致密度。分别对每个实施例所制涂层的五张截面金相照片进行计算，并取其平均值，见表I。通过综合考虑实施例1-13涂层孔隙率、结合强度、显微硬度、相对耐磨性及耐腐蚀性，实施例1-13涂层显微硬度变化规律见图1，实施例1-13涂层相对耐磨性变化规律见图2，实施例5、8、11、13涂层涂盐腐蚀实验曲线见图4，对粉芯丝材药芯成分进行逐步优化，最终获得耐蚀性好、耐磨性好的涂层，应用于锅炉“四管”、冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上，以提高上述部件服役稳定性，提高利用率及运转效率。表1实施例1-13孔隙率及结合强度
权利要求
1.一种制备铁基涂层用的粉芯丝材，其特征在于，是用电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶复合涂层的粉芯丝材，喷涂材料是由药皮和药芯组成的药芯丝材，药芯成分百分比为:Cr:15-35at.%;B:5-25at.%;S1:5-25at.%;C:2.5-5.5at.% ;Fe:余量；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带；粉芯丝材填充率:33%。
2.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于，药芯成分百分比为:Cr:20-35at.%;B:5-20at.%; S1: 5-25at.%; C: 2.5-5.5at.%; Fe:余量。
3.按照权利要求1的一种粉芯丝材，其特征在于:药芯成分百分比为:Cr:25-30at.%;B:10_20at.%; S1: 10_25at.%; C: 2.5-5.5at.%; Fe 余量。
4.一种采用权利要求1-3的任一粉芯丝材制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤1，对基体表面进行预处理:基体表面经粒度180目砂纸预磨后，利用粒度为60目棕刚玉，气压0.4-0.6MPa，喷砂枪摆速度5mm/s，进行基体表面喷砂粗化； 步骤2，将粉芯丝材轧制，最终获得直径为2.0mm的粉芯丝材； 步骤3，采用电弧喷涂工艺制备涂层，喷涂工艺参数为:电压28-34V ；电流160-220A ；喷涂距离:190-210mm ;压缩空气压力:0.4-0.6MPa。
5.按照权利要求4的方法，其特征在于，步骤3所述的喷涂工艺参数设定为:电压30-32V ;电流180-200A ;喷涂距离:210mm ;压缩空气压力:0.5-0.6MPa。
6.用权利要求4的方法所制备的一种含陶瓷相SiO2的铁基非晶纳米晶复合涂层，其特征在于:所制备的涂层中，非晶相的含量为10 30%。
7.权利要求7的一种涂层应用于耐腐蚀、 耐磨损的各个工业领域。
全文摘要
一种制备铁基涂层用的粉芯丝材、涂层的制备方法及应用，属于材料加工工程中的热喷涂领域。药芯成分原子百分比为Cr:15-35at.%;B:5-25at.%;Si:5-25at.%;C:2.5-5.5at.%；Fe:余量；粉芯丝材外皮所用带材为不锈钢带带；粉芯丝材填充率33%。用电弧喷涂制备含陶瓷相SiO2的铁基非晶/纳米晶涂层时，需先对基体进行预处理，喷涂工艺电压28-34V；电流160-220A；喷涂距离190-210mm；压缩空气压力0.4-0.6MPa。所得涂层可以广泛应用于冶金、电力、石油等行业的设备零件的修复和防护上。本发明可获得耐腐蚀、硬度高耐磨性好的涂层。
文档编号C23C4/06GK103088280SQ201310003219
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者蒋建敏, 周正, 王佳音, 贺定勇, 王智慧, 崔丽, 李晓延 申请人:北京工业大学