摘要：铁基非晶合金粉末(含Si、B、Cr、W、Mo、Ni等)作为喷涂材料，用大气等离子喷涂在316L不锈钢基体上制备涂层, 用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜和显微硬度仪对所制备的涂层进行了晶型结构、形貌、显微组织结构分析，并用谢乐公式计算了晶粒尺寸，结果表明：所制备的涂层均匀致密、与基体结合良好；涂层含有非晶和纳米晶；这种非晶纳米晶复合涂层硬度高达1000Hv。
关键词：铁基非晶合金，纳米晶，等离子喷涂，涂层
1 引言
非晶纳米晶材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前途的新型材料。但是在实际中，直至目前，这种材料仍还没有大范围推广应用，限制其应用的最主要因素是其制备过程难以控制，在实际中很难制备大块非晶纳米晶材料，其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等低维度形状上 [1-4]。相对而言，非晶纳米晶涂层的制备过程就比较容易实现，许多方法都可以用来制备非晶纳米晶表面涂层，如热喷涂、电镀、化学镀、电刷镀、前驱体涂覆—热分解、化学气相沉积、物理气相沉积、涂料涂覆等。其中热喷涂技术是一种极具竞争力的技术，同时也是非常有发展前景的技术[5，6]。采用现代热喷涂技术制备非晶涂层及纳米结构涂层是对非晶合金、纳米材料制备技术的新开拓[7-12]。利用纳米化技术提高材料耐磨性能、非晶化技术提高材料耐蚀性能的特点，将纳米化技术与非晶化技术相结合，制备耐蚀耐磨综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层不仅具有广阔的应用背景，还可为研究其形成机理、组织结构及性能提供良好的依据，因而具有重要意义。
本研究希望通过控制喷涂等参数利用等离子喷涂技术制备耐蚀耐磨综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层。
2 实验方法
一种铁基多元素非晶合金粉末作为喷涂材料，粉末粒度为-200目，其成分为表1所示；基材为316L不锈钢钢，对其表面进行除锈、除油等清洁化处理，喷涂前进行喷砂粗化活化处理；采用大气等离子喷涂方法制备涂层，喷涂工艺参数见表2
表1 铁基非晶粉末的化学成分
Table 1 Compositions of iron base amorphous alloy powder
元素
C
Si
B
Cr
W
Mo
Ni
Fe
含量wt/%
0.7~0.8
4~5
2~3
4~5
8~10
2~5
2~4
余量
表2 Fe基合金涂层的等离子喷涂工艺参数
Table 2 Plasma spraying parameters to prepare Fe base alloy coatings
电弧电压
电弧电流
主气(Ar)
副气(H2)
送粉速度
喷涂距离
60V
550A
60L/min
30L/min
15g/min
125mm
用X射线衍射仪检测了涂层的晶体结构；透射电镜观察等离子喷涂层显微组织；显微硬度计测定涂层的硬度，所用载荷50g，保持时间20s，测量5次，取平均值。
3 结果讨论
3．1 涂层的晶体结构
图1(略）是铁基非晶粉末的X射线衍射（XRD）图谱，是典型的非晶衍射图谱。图2(略）是铁基涂层的X射线衍射图谱，从图中可以看出：等离子制备涂层的过程中，熔化了的非晶态粉末沉积在基体上发生了晶化，得到了结晶化的涂层，但是衍射峰并不尖锐，这说明结晶的晶粒非常细小。对照标准衍射图谱可以查出涂层含有Cr21.34Fe1.66C6（PDF号：781500）、Cr7BC4（PDF号：190324）两种物质，用衍射峰的半高宽经过谢乐公式（其中常数取0.94）分别计算了这两种物质的平均晶粒尺寸：Cr21.34Fe1.66C6平均晶粒为19.2nm，Cr7BC4平均晶粒为24.4nm 。由此可知：通过控制等离子喷涂参数，可以用非晶态粉末直接喷涂得到纳米结构涂层。
3．2 涂层的微观结构
用透射电镜观察了涂层的微观组织结构，并进行了微区电子衍射分析，结果见图3和图4。
从图3(略）可以看出：涂层的的微观组织结构非常均匀，在190000倍的高倍数下仍观察不到单个的晶粒和晶界，基本上可以判断所观察的这部分涂层是均匀的非晶态结构，相应区域的微区电子衍射图也证明了这一点。综合图4(略）中涂层的微观形貌和微区电子衍射图可以发现，涂层存在组织均匀的非晶态结构，同时也观察到涂层发生了部分晶化，析出了非常细小的晶粒镶嵌在组织均匀的非晶基体上，从相应区域的微区电子衍射图也可以说明：这部分涂层是非晶和多晶混合涂层。同时测量了晶化的晶粒尺寸，测定得到晶粒尺寸在15～40nm范围内，与X射线衍射峰半高宽计算得到的晶粒尺寸吻合，从而可以确定该实验得到的等离子喷涂铁基涂层是由非晶和纳米晶粒组成的复合涂层。
等离子喷涂是一个粉末颗粒熔化、沉积、凝固的过程，如果冷却速度高于形成非晶的临界冷却速度较多，将形成完全的非晶态结构涂层，相反则形成完全的晶态结构涂层，而当冷却速度在形成非晶的临界冷却速度附近时，则形成非晶纳米晶复合涂层。因此，通过控制等离子喷涂参数和冷却速度，完全可以人为地制备非晶涂层、晶态涂层、非晶和纳米晶复合涂层，而不需要象传统的方法一样：先制备成非晶涂层，再通过后续的热处理使非晶晶化来得到纳米结构涂层或非晶纳米晶复合涂层。这样有利于简化加工工艺、降低加工成本，使综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层更容易在实际中的应用。
3．3 涂层的硬度
制备非晶纳米晶涂层的目的是为了利用它的优异的性能，本研究用显微硬度仪测量了涂层的横截面的硬度和表面的硬度，横截面的硬度为845Hv，表面的硬度为984Hv，由此可知：这种非晶纳米晶复合涂层具有极高的硬度，这与文献[12]报道的结果相近。这一硬度大大超过了普通铁基合金的硬度，这很可能是因为在涂层晶化过程中析出了硬质相，这些纳米尺寸的硬质相均匀弥散在非晶基体上提高了涂层的硬度。涂层的X射线衍射（XRD）图谱查出涂层中结晶化的物质是Cr21.34Fe1.66C6和Cr7BC4，这两种物质中的铁含量很少，而所用的铁基合金粉末的铁含量在70%左右，综合前面的结果可推断出：在富铁的非晶基体中均匀弥散着纳米尺寸的Cr21.34Fe1.66C6和Cr7BC4硬质相，从而大大地提高了涂层的显微硬度。涂层的横截面硬度与表面的硬度有较大的差异，喷涂过程中熔化的液滴打在基体上冷却形成一个个相互叠起的园盘，横截面的硬度测量的是几个园盘叠加的数值，叠加的园盘之间存在一定的孔隙，表面硬度基本上是测量园盘内部的数值，而园盘内部孔隙很少，这很可能是造成涂层的横截面硬度与表面的硬度有较大的差异的主要原因。由于具有很高的硬度，这种铁基非晶纳米晶复合涂层在高耐磨耐蚀领域具有很大的应用前境。
4．结论
（1）利用大气等离子喷涂工艺成功地制备出了一种多元素铁基非晶纳米晶复合涂层。
（2）在这种铁基涂层中，富铁的非晶基体中均匀弥散着纳米尺寸的Cr21.34Fe1.66C6和Cr7BC4硬质相。
（3）这种铁基涂层具有很高的显微硬度，横截面的硬度为845Hv，表面的硬度为984Hv
参考文献(略）
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