Fe 基非晶合金作为一种新材料, 具有优异的耐蚀、耐磨、高的强度及韧性等性能越来越受到人们的广泛重视[1-2], 其抗拉强度在室温下高达 1 433 MPa,约是传统铁晶体抗拉强度(630 MPa)的 2.27 倍[3], 抗压强度和维氏硬度分别达 3 800 MPa 和 1 360 MPa[4]。
但是, 目前这种材料还没有大范围推广应用, 主要是因为其制备过程难以控制, 在实际应用中被限制在如薄带、细丝等低维度形状[5]。相比较而言, 非晶纳米晶涂层的制备方法相对比较容易, 其中热喷涂就是一种非常好的制备非晶纳米晶涂层的技术, 非常具有发展前途[6]。而且利用热喷涂技术能够得到具有优异耐磨耐蚀性能的非晶纳米晶涂层[7-8]。王翠玲[9]和樊自拴[10]等人就利用超音速火焰喷涂和大气等离子技术成功制备出了 Fe 基非晶纳米晶涂层, 扩大了非晶- 纳米晶合金的应用范围。要想获得非晶纳米晶涂层很大程度上决定于喷涂热喷涂粉末的非晶纳米晶化。J G Zhang[11]和 Y J Liu[12]等分别利用化学气相沉积和机械合金化方法制备出了Fe 基非晶合金热喷涂粉末。Yoon B Kim[13]和 E Y Kang[14]等人利用气雾化工艺成功制备了 Fe 基非晶热喷涂粉末, 虽然通过不同的工艺生产方法成功地获得了 Fe 基非晶合金热喷涂粉末, 但是大部分是对其优良的磁性能进行了研究, 并未对 Fe 基非晶热喷涂粉末在热喷涂中的应用进行研究, 而且上述所制备的热喷涂粉末均是单一的非晶热喷涂粉末,要想获得含有纳米晶晶粒的热喷涂粉末必须经过晶化处理, 工艺复杂性和成本过高对其应用都存在局限性。在此, 作者根据 Inoue[15]等人总结出获取大块非晶合金的 3 条原则, 在 Fe- TM- B(TM 为 IV~VIII 过渡族金属元素)非晶合金系的基础上, 加入了微量的 Cr、Ni、Mo、W、Si、Co 等元素, 采用氩气雾化法直接成功制备了应用于热喷涂的 Fe 基非晶纳米晶复合合金热喷涂粉末, 并对其微观结构、相组成和热稳定性等性能进行了研究。
摘 要: 利用氩气雾化方法制备出了 Fe48Cr15Ni15Si5.8B2.7Mo6W4Al2Co 非晶合金热喷涂粉末, 利用扫描电镜、透射电镜、X 射线衍射仪、粒度分析仪和差示扫描量热仪对热喷涂粉末的微观结构、相组成、粒径分布以及热稳定性进行了分析。研究表明, 所制备的热喷涂粉末结构为非晶纳米晶结构, 纳米晶的尺寸约为 20～40 nm; 热喷涂粉末颗粒形貌呈球形或椭球形, 流动性很好。差热试验表明, 热喷涂粉末具有很强的非晶形成能力并且热稳定性非常好; 筛分出来的小于 47µm 目的热喷涂粉末粒度正态分布比较窄。
关键词: 热喷涂粉末http://www.sunspraying.com/zhuanjiadayi/suoyouxiaolei/2012-08-22/175.html; 等离子喷涂; 铁基合金; 气雾化; 非晶纳米晶; 热喷涂
1 实验方法
将Fe48Cr15Ni15Si5.8B2.7Mo6W4Al2Co 母合金采用中频真空感应炉熔炼, 在氩气保护气氛下利用气雾化快速凝固的方法制备出合金热喷涂粉末, 并筛取小于 325目(约 47 μm)的喷涂热喷涂粉末。采用日本理学(Rigaku) 公司产的 X 射线衍射仪(XRD)分析热喷涂粉末的组织结构, 工作电压为 40 kV, 工作电流为 150 mA; 采用英国 LEO1450 型扫描电镜(SEM) 对热喷涂粉末的组织形貌进行了观察; 采用 PhilipsEM400T 透射电镜(TEM)分析热喷涂粉末的微观组织结构并对其进行微区电子衍射分析; 在 NETZSCH DSC409C 高温差热分析仪上对热喷涂粉末进行差热分析, 起始温度: 室温(25 ℃), 加热最高温度: 800 ℃, 升温速率:30 ℃/min, 气氛条件: 氩气保护, 氩气流速: 20mL/min; 采用日本清新公司制造的激光粒度分布测定仪 (LMS- 30)对过 325 目筛的热喷涂粉末进行了粒度分析, 分散介质为水。
2 实验结果与讨论
2.1 X 射线衍射分析
图 1 为制备的 Fe 基喷涂热喷涂粉末的 X 射线衍射(XRD)图谱。可以看出, 图谱虽然不是典型的非晶态漫衍射峰, 但大部分是宽化的衍射峰, 在 40～50°间存在明显的宽化漫衍射峰, 并有少量的晶态的尖锐峰存在。这说明所制备的 Fe 基喷涂热喷涂粉末大部分以非晶态存在, 并有少量晶态物质存在, 析出相主要为Al0.3Fe3Si0.7和 Ni4B3相, 这说明气雾化的冷却速度低于这两相的非晶形成速度, 使得这两相在冷却过程中析出, 冷却至室温便保留了晶态相的状态。用衍射峰的半高宽数据经过 Scherrer 公式 ( 常数取 0.89, λ取 0.154 2 nm)分别计算了这两种物质的平均晶粒尺寸: Al0.3Fe3Si0.7的平均晶粒尺寸为 27.34 nm, Ni4B3的平均晶粒尺寸为 34.35 nm。另外其他设计成分 Cr、Mo、W、Co 等元素并没有结晶成晶态相, 应该是以非晶形态存在的, 说明热喷涂粉末中非晶成分占了很大比例,因此所制备的 Fe 基喷涂热喷涂粉末为非晶纳米晶复合热喷涂粉末。
2.2 涂层的组织形貌分析
图 2 为 制 备 的 Fe 基 喷 涂 粉 末 的 扫 描 电 镜(SEM)图像。从图 2(a)可以看出, 热喷涂粉末的球形化非常好, 基本上都呈球形或椭球形, 这对于喷涂过程中送粉速度的提高非常有利, 并且含有少量的热喷涂粉末包裹现象存在, 这可能是由于雾化过程中熔体的不完全凝固造成的。图 2(b)为其中一个热喷涂粉末颗粒的放大图,可以看出, 热喷涂粉末的表面光洁度很好, 非常的光滑。称取 50 g 热喷涂粉末, 利用标准漏斗( 霍尔流速计, 下端漏斗直径为 2.5 mm)测得的热喷涂粉末的流动性为 0.48 s/g 说明热喷涂粉末的流动性非常好, 有利于连续、均匀、流畅地将热喷涂粉末送入喷涂焰流中[16]。图 3 为热喷涂粉末的能谱分析图(EDS), 表 1 为热喷涂粉末各组成元素的质量分数。从中可看出, 热喷涂粉末的成分与设定值基本上一致。
 
图 4 是在光学显微镜下, 热喷涂粉末颗粒的截面照片。从照片上不难看出, 热喷涂粉末内部结构非常的致密, 并没有出现空洞或者空心球现象, 这就避免了喷涂过程中由于空心热喷涂粉末造成的涂层空隙率高, 致密度低及热喷涂粉末沉积效率低等现象。
2.3 热喷涂粉末的透射电镜分析
图 5 是 Fe 基热喷涂粉末的 TEM 暗场图像(a) 及微区衍射(b)。可以看出, 热喷涂粉末的内部微观组织衬度不是很均一, 说明所制备的热喷涂粉末颗粒结构不完全是非晶结构, 有少量的纳米尺度的弥散析出相, 通过标尺刻度可以大致估计出热喷涂粉末中析出晶粒的大小在 20～40nm 之间, 说明析出的晶粒为纳米晶。结合 XRD 分析, 析出相为 Al0.3Fe3Si0.7和 Ni4B3相, 热喷涂粉末的组织结构为多晶结构。图 5(b)也证明了多晶的存在, 热喷涂粉末的衍射花样的特点是中心有一漫散的中心斑点及漫散环, 这种漫散的非晶衍射斑点的存在是非晶态的典型特征, 同时在漫散的非晶衍射斑点上还分布有一系列的小点组成的同心圆的多晶衍射环, 可见, 所制备的 Fe 基热喷涂粉末结构为非晶与多晶并存, 并且多晶的晶粒为纳米级。
2.4 热喷涂粉末的 DSC 分析
非晶态合金具有优良的性能, 但是热力学的不稳定性限制了它的应用。从热力学讲, 非晶态是亚稳态, 其自由能要比晶态的自由能高, 因此合金的非晶态向晶态的转变是一种放热反应。图 6 为制备的 Fe基热喷涂粉末在升温速率为 30 ℃/min 时的 DSC 曲线。由图可以看出热喷涂粉末在加热的过程中在 719 ℃附近出现了晶化放热峰, 说明热喷涂粉末在此处出现晶化现象, 有新的晶相析出从图 5 中还可以看出 Fe 基热喷涂粉末的玻璃转变开始于 Tg=570.8 ℃, 晶化温度 Tx=660.9 ℃, 表征热喷涂粉末中的非晶态结构相晶化前的过冷液相区 ΔT=Tx- Tg=90.1 ℃, 表明所制备的 Fe 基热喷涂粉末具有较强的非晶形成能力, 并且具有优良的热稳定性。
 
2.5 热喷涂粉末的粒径分析
图 7 为制备的 Fe 基喷涂热喷涂粉末 ( 过 325 目筛) 的粒径- 累积- 区间分布图, 区间分布比例指的是不同粒度颗粒所占的体积分数, 累积分布比例指的是不同粒度颗粒所占体积的累积比例。从图中可以看出, 热喷涂粉末的 d10(热喷涂粉末的累积比例)为 9.595 μm, d50为25.656 μm, d90为 45.754 μm, 热喷涂粉末的平均粒度为21.933 μm; 从区间分布图看, 粒度大小在 16.58～32.78 μm 间的热喷涂粉末一共占了热喷涂粉末的 81%, 说明热喷涂粉末的正态分布比较窄, 而粒度大小在 5.03～13.98 μm间的热喷涂粉末占的比例在 10.64 %左右, 大颗粒即粒度大小在 38.86～54.64 μm 间的热喷涂粉末占了约 9%, 这说明热喷涂粉末的粒度分布中, 含有一定量的小颗粒和大颗粒,这对于喷涂过程中形成高致密的涂层是非常有利的。另外测得的热喷涂粉末的比表面积为 0.367 m2/cm3。
  
3 结论
1) 利用气雾化方法成功制备出了一种高非晶含量的 Fe 基非晶纳米晶喷涂热喷涂粉末;
2) 所制备的热喷涂粉末呈球形或椭球形, 且均为实心球, 颗粒表面光洁度高, 流动性非常好;
3) 热喷涂粉末的晶体结构是由非晶与纳米晶混合的多晶结构, 纳米晶的尺寸为 20～40 nm;
4) 所获得的热喷涂粉末的非晶形成能力很强, 并且具有较高的热稳定性, 其晶化放热峰温度 T1=719 ℃;
5) 热喷涂粉末的正态分布较窄, 且存在一定量的大颗粒和小颗粒, 有利于喷涂过程中形成致密的涂层。
参考文献略
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