摘 要
非晶合金由于其高强度/高硬度、高弹性极限、以及优异的防腐耐磨性能而成为一种有潜在应用前景的新型金属材料。然而，当前非晶合金作为结构材料应用的主要制约是有限的临界非晶形成尺寸有限和较差的室温塑性变形能力。而制备非晶涂层将是解决以上缺点的一种有效途径。本论文基于性能优异的 Fe 基非晶体系，以热喷涂技术制备高性能非晶涂层为研究目标，分别利用 X 射线衍射分析仪（XRD）、差示扫描量热仪（DSC）及差热分析仪（DTA）、光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、纳米压痕仪（Nano Indenter）、显微维氏硬度计（Vickers Indenter）、摩擦磨损试验机（Friction/Wear Testing Machines）以及电化学工作站（Electrochemical Workstation）等实验手段系统研究一种 Fe 基非晶涂层的微观结构及其耐腐蚀性能，耐磨损性能以及润湿性能。具体内容包括以下几个方面：
采用超音速火焰喷涂技术（HVOF）制备了 Fe48Cr15Mo14C15B6Y2（名义成分）非晶涂层，并研究了喷涂粉末粒径对涂层结构及其在模拟海水环境中的腐蚀行为的影响。实验结果表明：所制备的涂层基本由单一非晶相组成，仅在涂层内的氧化物界面中存在少量的纳米晶。非晶涂层在 3.5%NaCl 溶液中具有十分优异的耐腐蚀性能。粉末粒径对非晶涂层的结构与耐腐蚀性能有显著的影响，表现为使用较小粒径粉末制备的涂层展现出更为致密的结构；而采用较大粒径粉末制备出的涂层表现出更加优异的耐腐蚀性能。分析认为非晶涂层的耐腐蚀性能与涂层的润湿性及氧含量紧密相关，而润湿性主要受氧含量和涂层粗糙度的影响。具备低氧含量和疏水特性的非晶涂层表现出更加优异的耐腐蚀性能。
为了深入揭示非晶涂层腐蚀机制，采用高分辨透射电镜（HRTEM）与纳米束 X射线能量色素谱分析技术（Nano-beam EDX）研究了非晶涂层在 NaCl 溶液中的点蚀机制。结果表明，点蚀并非发生在文献中普遍认为的涂层氧化物界面处，而是起源于存在界面附近宽度约为 100nm 的非晶基体区域中。纳米束成分分析结果表明氧化物界面外存在一个狭小的贫 Cr 区。HRTEM 实验结果表明界面中主要存在两种富 Cr的氧化物：(Cr，Fe)2O3和 FeCr2O4。由于喷涂过程中的氧化效应使得富 Cr 氧化物在界面处的析出，从而导致界面两侧贫 Cr 区的产生。根据菲克定律的半无限长薄膜解计算出贫 Cr 区的理论宽度为 65-73nm，与我们的实验值十分接近。更为有趣的是，我们发现虽然氧化物界面两侧均存在同等程度的贫 Cr 区，而点蚀却仅仅发生在单侧贫 Cr 区。这主要是由于富 Cr 的氧化物与贫 Cr 区的电偶效应造成。
在室温条件下，采用 Al2O3作对偶件，用往复式球-盘式摩擦磨损实验研究了非晶涂层的摩擦磨损行为。结果表明，Fe 基非晶涂层具有较高的维氏硬度达到 1000Hv，较低的摩擦系数 0.3-0.4，以及十分低的磨损速率（3-19）×10-5mm3/(N m)。其耐磨性能优于 AISI 1045 低碳钢、304 不锈钢，以及等离子喷涂制备的 Al2O3涂层与电镀硬Cr 涂层。在所研究的实验条件范围内，滑动速率对 Fe 基非晶涂层的磨损速率的影响更为明显。在干态摩擦条件下，Fe 基非晶涂层的磨损机制主要为氧化磨损，主要是由于摩擦过程产生的较高局部闪温以及合金元素较大的氧亲和力。此外，Fe 基非晶涂层还在层状界面处发生分层剥离磨损。
通过调控超音速火焰喷涂参数制备出了具有不同拓扑结构与粗糙度的非晶涂层，并系统研究了非晶涂层的润湿行为。结果表明，当涂层表面粗糙度小于 5~6μm时，涂层呈现亲水性；当粗糙度大于 9μm 时，涂层转变为疏水性，其静态接触角高达 130°~140°。通过蒸镀一层具有纳米结构的金膜，以及通过后续低表面能硫醇基团的化学修饰，原始疏水性非晶涂层则可转变为超疏水性涂层，其静态接触角大于150°，并且表现出低的粘水性，其滚动角低于 16°（8μL 液滴），且具有明显的自清洁效应。根据 Wenzel 和 Cassie–Baxter 理论讨论了粗糙度对涂层润湿性的影响机理。
关键词：铁基非晶涂层；粉末粒径；氧化效应；腐蚀性能；点蚀机制；磨损性能；润湿性；疏水/超疏水
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