一种制备高非晶含量涂层用的粉芯丝材及其制备方法和应用与流程

本发明属于材料加工工程专业热喷涂领域，涉及一种粉芯丝材及其制备方法和应用，具体为主要用于制备大面积防护涂层的电弧喷涂材料，即一种制备高非晶含量涂层用的粉芯丝材及其制备方法和应用。

背景技术：

铁基非晶合金是原子结构长程无序的金属材料，与晶态材料相比，非晶合金独特的原子结构赋予其组织更均匀，无晶界、偏析等晶体缺陷，且具有高强度、高硬度，优异的防腐耐磨等性能，是目前发现的强度最高、耐蚀性能最好的金属材料。然而，由于受到玻璃形成能力、制备工艺以及室温脆性的限制，大部分铁基非晶合金以粉、薄带、毫米棒等形式存在，这严重制约了它的推广和应用。为突破铁基非晶合金的应用“瓶颈”，将块体非晶合金材料作为涂层，不仅能有效解决其室温脆性，尺寸和制备成本等缺陷，而且不会降低或丧失块体非晶固有的特性，因而倍受关注。

美国nanosteel公司研发出mxc(95～140)系列粉芯丝材，利用电弧喷涂技术成功制备了100mxc系列纳米结构涂层，涂层的组织为非晶相基体上零星分布着尺寸为60-140nm的硼化物和碳化物，主要化学组成为fecrbsiwmnnb。涂层的维氏硬度在889～905hv300之间，结合强度为35～48mpa(advancedmaterials&processes，2006，164(8)：68-69)。东北大学郭金花等利用电弧喷涂方法制备了非晶含量为45.22％的fecrmomnbcsi合金涂层，涂层的孔隙率为2.59％，维氏硬度超过了hv1000，涂层具有良好的抗腐蚀性能(《金属学报》2007,43(7):780-784)。北京工业大学采用自制的fe基粉芯丝材，利用电弧喷涂制备了一种含非晶结构的涂层，非晶相含量为55.3％(《摩擦学学报》2008,28(5):428-432.)。合肥工业大学利用电弧喷涂技术制备了非晶含量为29％的铁基涂层，且涂层的孔隙率相对较高(《电焊机》2015,45(8):210-213)。田浩亮等人在《材料科学与工艺》(201220(1):108-113)上报道，利用高速电弧喷涂技术制备了fealnbb非晶纳米晶涂层，非晶相含量约36.2％，平均孔隙率约2.3％；其耐磨性是相同实验条件下制备的3cr13涂层的2.2倍。梁秀兵等人(《装甲兵工程学院学报》2009(05):77-81)利用电弧喷涂制备了fecrbsimnnby非晶纳米晶涂层，涂层的组织由非晶相和α-fe纳米晶相组成，纳米晶粒平均尺寸为32nm，孔隙率约为1.7％。为了提高铁基涂层的非晶含量，前期本课题组曾研发了非晶相含量大于80％(体积分数)febsinb涂层(journalofthermalspraytechnology,2013,22(4):471-477)。

上述铁基非晶涂层虽在一定程度上拓宽了非晶合金的应用范围，但由于材料种类有限、热喷涂技术诸多的工艺条件限制导致所制备的涂层很难获得完全的非晶结构，并伴随铬化物、硼化物产生，且涂层中存在的一些固有缺陷(如孔隙、氧化物等)也限制了铁基非晶涂层力学性能最大限度地发挥，如何制备出高非晶含量(≥90％)且具有低缺陷的电弧喷涂铁基非晶涂层仍然具有较大的挑战性和创新性。

技术实现要素：

解决的技术问题：为了克服现有技术的缺陷，针对前期电弧喷涂铁基涂层非晶含量低(＜90％)且伴有少量晶化相等问题，本发明提供了一种制备高非晶含量涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出涂层组织结构致密、非晶含量≥90％；具有低氧化物含量、低孔隙率(＜2％)、高的结合强度和优异的耐磨和耐蚀性能，并且成本较低等特点。

技术方案：一种制备高非晶含量涂层用的粉芯丝材，所述丝材由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，粉芯由七种元素的合金粉末混合而成，粉芯成分质量百分比含量范围如下：6～15wt.％cr、4～6wt.％b、3～5wt.％si、4～7wt.％nb、8～12wt.％mo、1～2.5wt.％c、余量为fe；粉芯的填充率为37-39％，粉芯丝材的直径为2mm。

优选的，粉芯成分质量分数百分比为：6wt.％cr、5wt.％b、4wt.％si、4wt.％nb、12wt.％mo、1wt.％c、余量为fe；粉芯的填充率为37％，粉芯丝材的直径为2mm。

优选的，粉芯成分质量分数百分比为：9wt.％cr、5wt.％b、4wt.％si、5wt.％nb、10wt.％mo、1.5wt.％c、余量为fe；粉芯的填充率为38％，粉芯丝材的直径为2mm。

优选的，粉芯成分质量分数百分比为：12wt.％cr、6wt.％b、3wt.％si、6wt.％nb、9wt.％mo、2.5wt.％c、余量为fe；粉芯的填充率为38％，粉芯丝材的直径为2mm。

优选的，粉芯成分质量分数百分比为：15wt.％cr、4wt.％b、5wt.％si、7wt.％nb、8wt.％mo、2wt.％c、余量为fe；粉芯的填充率为39％，粉芯丝材的直径为2mm。

优选的，用该粉芯丝材制备出的非晶涂层，非晶含量≥90％，孔隙率＜2％，涂层的结合强度≥50mpa，涂层的硬度在1000～1300hv100范围内。

一种制备高非晶含量涂层用的粉芯丝材的制备方法，所述方法包含以下步骤：

(1)将粉芯的7种元素粉末混合，加入混粉机内混合1～4小时；

(2)选用430不锈钢钢带，将其扎成u形，然后将步骤(1)获得的粉末加入u形不锈钢钢带槽中；

(3)将u形槽合口，把粉末包覆在其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，获得直径为2mm的粉芯丝材；

(4)在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34-36v，喷涂电流为120-150a，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7mpa。

所述粉芯丝材在钢结构的长效防腐和耐磨环境的防护涂层中的应用。

有益效果：

1、本发明粉芯丝材制备出的涂层非晶含量≥90％，且兼具优异的耐磨耐蚀性能。

2、本发明中的铁基合金粉末成本较低，大部分采用工业用合金为原材料。

3、采用高速电弧喷涂技术制备的铁基非晶涂层氧化物含量低、成分均匀、结构致密，孔隙率＜2％，涂层的结合强度≥50mpa，涂层维氏硬度hv100＝1000～1300。本发明可以显著提高机械工程装备、钢结构件的长效防腐、耐磨性能及服役寿命。

附图说明

图1是实施例1制备非晶涂层的截面形貌图；

图2是实施例2制备非晶涂层的x射线衍射图谱；

图3是实施例2制备非晶涂层的微观组织(tem)形貌图；

图4是实施例3制备非晶涂层硬度分布曲线图；

图5是实施例4制备非晶涂层与316l不锈钢涂层在3.5wt％氯化钠溶液中极化曲线。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

实施例1：

选用10×0.4mm(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢钢带，先将其扎成u形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：6wt.％cr、5wt.％b、4wt.％si、4wt.％nb、12wt.％mo、1wt.％c、余量为fe，称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合4h后，将混合的粉芯粉末加入u形不锈钢钢带槽中，填充率为37％。然后将u形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至φ2mm。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为34v，喷涂电流为130a，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7mpa。

实施例1制备非晶涂层的截面形貌如图1所示。可以看出：涂层呈层状结构，其组织均匀，结构致密，经灰度法分析涂层的孔隙率为1.5％；涂层平均结合强度为54.7mpa。

实施例2：

选用10×0.4mm(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢钢带，先将其扎成u形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：9wt.％cr、5wt.％b、4wt.％si、5wt.％nb、10wt.％mo、1.5wt.％c、余量为fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合4h后，将混合的粉芯粉末加入u形不锈钢钢带槽中，填充率为38％。然后将u形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至φ2mm成品丝材。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为35v，喷涂电流150a，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7mpa。

实施例2制备的铁基非晶涂层的x射线衍射图谱见图2。可以看出，在2θ＝43.5°处出现了一个漫散射峰，这是典型的非晶态结构的xrd图谱，说明在涂层在沉积过程中形成了非晶结构。图中没有发现对应于结晶相的反射峰，表明制备的涂层是非晶态；另外图谱中没有氧化物峰存在，证实涂层在沉积过程中很少发生氧化。利用jade软件对xrd图谱进行拟合，计算得到涂层中非晶含量为94.8％(体积分数)。实施例2制备的铁基非晶涂层的微观组织如图3所示，可以看出，涂层内部组织比较均匀，微观组织衬度很均一，选区电子衍射衍射花样特点是中心有一漫散的中心斑点及漫散环，这种漫散非晶衍射斑点的存在是非晶态合金的典型结构特征，这也和xrd图谱相对应。

实施例3：

选用10×0.4mm(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢钢带，先将其扎成u形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：12wt.％cr、6wt.％b、3wt.％si、6wt.％nb、9wt.％mo、2.5wt.％c、余量为fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合60min后，将混合的粉芯粉末加入u形不锈钢钢带槽中，填充率为38％。然后将u形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至φ2mm成品丝材。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为36v，喷涂电流120a，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7mpa。

经检测实施例3制备非晶涂层的平均结合强度为56.4mpa；孔隙率为1.3％。对实施例3制备的非晶涂层利用hvs－1000型维氏硬度计进行了显微硬度测试，结果如图3所示，可以看出涂层的显微硬度在1000～1300hv。

实施例4：

选用10×0.4mm(宽度为10mm，厚度为0.4mm)的430不锈钢钢带，先将其扎成u形。取含七种元素的粉芯粉末按质量百分比：15wt.％cr、4wt.％b、5wt.％si、7wt.％nb、8wt.％mo、2wt.％c、余量为fe，进行称重配料。将所取的粉芯粉末放入混粉机内混合60min后，将混合的粉芯粉末加入u形不锈钢钢带槽中，填充率为39％。然后将u形槽合口，使粉芯粉末包覆在其中，再经过拉丝模逐渐减径至φ2mm成品丝材。在经过喷砂粗化后的钢基体上制备电弧喷涂涂层，喷涂电压为35v，喷涂电流140a，喷涂距离为200mm，喷涂气压为0.7mpa。

实施例4制备的非晶涂层的非晶含量为93.6％(体积分数)，平均结合强度为58.4mpa；孔隙率为1.2％；涂层的平均显微硬度为1138hv。对实施例4制备的非晶涂层在3.5wt.％氯化钠溶液中浸泡5天后的电化学腐蚀试验测试，并与电弧喷涂316l不锈钢涂层进行了对比，如图5所示。可以看出，非晶涂层的极化曲线范围要明显宽于不锈钢涂层，非晶涂层的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为：-0.793v和9.16×10^-6a/cm²；316l不锈钢涂层的自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为：-0.805v和1.71×10^-5a/cm²。非晶涂层的自腐蚀电流要明显小于316l不锈钢涂层，这也说明非晶涂层具有优异的耐蚀性能。