一种激光熔覆技术制备防腐耐磨铁基非晶涂层的方法与流程

本发明涉及一种激光熔覆防腐耐磨铁基非晶涂层的制备方法，属于激光加工技术制备涂层材料领域。

背景技术：

铁基非晶合金由于成本低廉，具有优异的力学、抗蚀性、软磁性、电学等性能，备受科学界的重视，有待成为航天器件、精密机械、军工等高新技术的关键性材料。然而，由于铁基非晶合金尺寸上和制备工艺上的限制，难以在工业上获得广泛应用，若将其制备成涂层，不仅拥有非晶优异的性能，并可突破块体非晶合金材料的尺寸、室温脆性等不足，极大拓展非晶合金材料的应用范围。

激光熔覆表面改性技术是制备非晶合金涂层的有效方法之一，通过激光束照射涂层材料和被熔覆的基体材料，使涂层材料和基材表面同时熔化，经快速冷凝后在基材表面形成了具有一定厚度且性能优于基材的熔覆层，可显著改善基材表面的腐蚀、磨损、冲蚀、抗氧化等性能。采用激光熔覆技术在各种金属制品表面制备不同性能、厚度可调的非晶涂层，不仅可大大提高产品的性能和寿命，还可节约大量的贵重金属，从而获得巨大的经济效益和社会效益。

目前我国军舰用双相不锈钢等钢材在海水中会遭到磨损和腐蚀，在服役一定时期之后都要回到船坞进行整修，否则会严重影响其防护性能。铁基非晶合金材料由于其结构的均匀性、不存在晶界、位错、沉淀相等特点，具有极高的耐蚀性能和耐磨性，在国防工业中具有广泛的应用前景。然而，由于制备工艺对非晶涂层结构的影响，如何制备出具有组织均匀、无缺陷、非晶相含量高、以及防腐耐磨综合性能优异的非晶涂层依然是一大难题。因此，开发一种防腐 耐磨综合性能优异的高质量非晶涂层材料对国防工业具有重大的意义。

技术实现要素：

本发明针对目前激光熔覆铁基非晶涂层易出现孔洞和裂纹、易开裂、组织不均匀，以及防腐耐磨综合性能差的不足，提供了一种利用半导体激光器激光熔覆技术制备防腐耐磨优质铁基非晶合金涂层的方法。

本发明提出的高质量防腐耐磨铁基非晶涂层的制备方法，具体步骤如下：

(1)本发明采用工业纯原料、气体雾化法批量制备铁基非晶合金粉末原料。Fe非晶合金粉末通过紧耦合气雾化法制备，由Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、C和Si元素组成。所述铁基非晶合金组份的质量百分比为：

Cr：17.3～19.4％

Mn：1.8～2.2％

Mo：12.9～15.8％

W：5.0～6.2％

B：2.8～4.1％

C：0.7～1.1％

Si：1.0～1.5％

其余为Fe，其总质量满足100％。

雾化设备主要有由感应、加热、雾化喷粉、粉末收集与真空系统组成。氩气雾化主要工艺参数为：过热度为100℃，真空度5Pa，雾化压力20MPa，粉末粒度主要集中在15～50μm。

(2)采用半导体激光熔覆技术制备铁基非晶涂层，以氩气为保护气体，304L不锈钢作为基体材料，在基材表面预置铁基非晶合金粉末，经高能激光束辐照在304L不锈钢表面获得非晶合金涂层。激光的输出功率为1000～2000W；所选用 的光斑宽为4～8mm，焦距370；扫描速度为8～10mm/s。

本发明所制备的铁基非晶涂层组织均匀，无裂纹和孔洞缺陷，且具有优异的防腐耐磨综合性能。

本发明与已有的铁基非晶合金涂层相比具有如下特点：

1)原料均为低成本的工业原料，无毒、无害，制备工艺简单，可控性强，适合用于实际工业生产；

2)铁基非晶涂层致密，无裂纹和孔洞缺陷，基材和熔覆层之间为良好的冶金结合；

3)具有高硬度、高耐磨性和优异的耐腐蚀性综合性能，维氏硬度Hv0.1最高达1180Hv。

附图说明

图1为通过紧耦合气雾化法制备的铁基非晶合金粉末的扫描电镜(SEM)图；

图2为气雾化的铁基非晶合金粉末和激光熔覆制备的非晶涂层的X射线衍射(XRD)图；

图3铁基非晶涂层的截面扫描电镜背散射(BSE-SEM)图；

图4铁基非晶涂层的硬度曲线。

图5铁基非晶涂层的极化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。

实施例1：本Fe基非晶合金粉末的化学成分为：Cr：17.3～19.4％；Mn：1.8～2.2％；Mo：12.9～15.8％；W：5.0～6.2％；B：2.8～4.1％；C：0.7～1.1％；Si：1.0～1.5％；其余为Fe；(质量百分比)，总质量满足100％。

采用高频真空感应炉(石墨坩埚)及紧耦合气雾化制粉设备制备铁基非晶粉末。将高频真空感应炉腔抽真空至10^-2Pa以下，将金属Fe、Cr、Mn、Mo、W、B、C和Si分别按名义质量分数称取配制后，放入石墨坩埚中，待其充分熔化均匀后浇铸。为保证元素分布均匀，将铸锭重熔1次。将铸锭放入氧化铝坩埚后将其一并置于真空室，抽真空至5Pa并升温，待合金充分熔化后，在过热度为100℃时进行雾化，所用雾化介质为氩气，气压为20MPa。

气雾化法得到的铁基非晶粉末形貌图，如图1所示。粉末表面光滑，多数为球状或椭球状，分布较为均匀，粒度范围主要为15～50μm。粉末的X射线衍射图(XRD)，如图2所示，呈典型的非晶漫散射峰。

本发明采用型号为TJ-HL-T5000型半导体激光器，304L不锈钢作为基体材料，在304L不锈钢表面预置铁基非晶合金粉末，经高能激光束辐照在304L不锈钢表面获得非晶复合涂层。

激光束辐照前对基材表面进行除锈、除油等清洁处理处理。为减小对预置层合金粉末的污染和试验误差，将10mm×10mm×5mm的304L不锈钢基材表面依次用300目、600目、1200目、1500目的水砂纸和1800目、2000目的金相砂纸进行打磨光滑。将经水砂纸打磨后的试样在数控超声波清洗器中用丙酮进行清洗干净。

用松香酒精将铁基非晶合金粉末预置于所要熔覆的304L不锈钢基体表面，预置厚度约为1mm，最后将预置好的试样自然风干。

对预置了铁基非晶合金粉末层的试样进行单道激光熔覆加工。熔覆的工艺参数为激光的输出功率1000W，光斑宽度6mm，扫描速度10mm/s，保护气体为氩气。

激光熔覆后铁基非晶涂层的截面扫描电镜照片，如图3所示，涂层结构致 密，无裂纹和孔洞缺陷，基材和熔覆层之间的结合良好。

用维氏硬度计测试涂层的显微硬度，所加载荷为100g，加载15s，平均显微硬度值取15次测量的平均值，如图4所示。非晶涂层的硬度值在980～1180Hv范围，远高于基体304L不锈钢。

铁基非晶涂层的耐磨性采用UMT2型摩擦磨损试验机测定，测试时所用载荷为30N，频率为1Hz，接触方式为点接触、干摩擦，摩擦副为直径为6mm的Al₂O₃小球。测定铁基非晶涂层的摩擦系数为0.61，非晶涂层的磨损量约为基体304L不锈钢的四分之一。

铁基非晶涂层的腐蚀特性采用电化学工作站测定。电化学测试采用三电极体系，分别为辅助电极(铂片电极)，参比电极(饱和甘汞电极)，工作电极(试样)。扫描速度为10mV/s，初始电位为-2.5V，结束电位为2V。电化学腐蚀中的腐蚀液为人工模拟海水(3.5％NaCl溶液)，获得的极化曲线如图5所示，自腐蚀电位为-0.81V，存在明显的钝化区，钝化电流为3.96×10^-5A·cm^-2，可见该涂层具有良好的耐腐蚀性。

实施例2：本实施方式与实施例1的不同点为：单道激光熔覆的工艺参数为2000W，光斑宽度6mm，扫描速度10mm/s。其它与实施列1相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的涂层结构致密，无裂纹和孔洞缺陷，基材和熔覆层之间的结合良好，耐磨和耐腐蚀性能无显著变化。

实施例3：本实施例与实施例1的不同点为：单道激光熔覆的工艺参数为2000W，光斑宽度8mm，扫描速度8mm/s。其它与实施列1相同。该工艺条件下可获得非晶涂层的涂层结构致密，无裂纹和孔洞缺陷，基材和熔覆层之间的结合良好，耐磨和耐腐蚀性能无显著变化。