表面工程學(xué)大作業(yè)

1、非晶納米涂層具有優(yōu)良的耐磨耐蝕性能，是最佳的耐磨耐蝕候選材料，試采用表面工程所學(xué)知識(shí)在鋼表面制備非晶納米涂層，要求：（1） 涂層具有高硬度（HV2000以上），孔隙率低，厚度均勻；（2） 涂層與基體必須是冶金結(jié)合； （3） 涂層必須耐酸耐堿的腐蝕。 小組成員：金科進(jìn) 游圣偉 吳智摘要：利用先進(jìn)的AC-HVAF噴涂技術(shù)制備Fe基非晶納米涂層，涂層主要由FeNi3，F(xiàn)e2B和Ni4B3相組成；涂層與基體0Cr13Ni5Mo不銹鋼冶金結(jié)合很好，涂層孔隙率低；涂層厚度均勻，硬度最高可達(dá)2000HV；涂層具有優(yōu)異的耐磨耐腐蝕性能。前言 ： 非晶態(tài)合金因其成分均勻，不存在晶體缺陷，如位錯(cuò)、晶界和

2、成分偏析等，具有獨(dú)特而優(yōu)異的性能，如較高的強(qiáng)度、硬度和優(yōu)良的耐磨耐蝕性能。納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)，使涂層具有很高的硬度和很好的耐磨性能。非晶納米晶涂層因具有非晶材料的高耐蝕性，同時(shí)又具有納米材料優(yōu)良的抗耐磨性的特點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)材料具有更為獨(dú)特而優(yōu)異的性能，是很有發(fā)展前途的新型材料。其基本的原理是利用納米化技術(shù)提高材料耐磨性能、非晶化技術(shù)提高材料耐蝕性能的特點(diǎn)，將納米化技術(shù)與非晶化技術(shù)相結(jié)合，用于制備耐蝕耐磨綜合性能優(yōu)異的非晶納米晶復(fù)合涂層。  Fe基非晶合金作為一種新材料，具有優(yōu)異的耐蝕，耐磨，高的強(qiáng)度及韌性等性能越來(lái)越受到人們的廣泛重視，采用超音速火焰噴涂法制備的Fe基非

3、晶納米涂層,與常規(guī)的涂層相比,硬度可以由HV1200左右提高到HV2000左右,耐磨性能和耐蝕性能都有比較大的提高。  超音速火焰噴涂(HVOF)是繼等離子噴涂之后的又一發(fā)明。1981年美國(guó)的I.A.Borwing發(fā)明了HVOF技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)提高粒子速度，使之達(dá)到超音速，從而具有較高的動(dòng)能，轟擊基材時(shí)沖擊動(dòng)能變?yōu)闊崮?，同時(shí)使顆粒產(chǎn)生充分的形變，得到致密的涂層，沉積粒子間孔隙率小。高速和相對(duì)較低的溫度是超音速火焰噴涂熱噴工藝方法的2個(gè)主要特征。超音速火焰噴涂主要貢獻(xiàn)在于其大幅度地提高了熱噴涂涂層的結(jié)合強(qiáng)度，密度和硬度，并且同時(shí)減小甚至消除了涂層中的氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)。將幾種火焰噴涂列表比

4、較，如下表1。 由表可知，在常規(guī)的熱噴涂方法中，超音速火焰噴涂火焰溫度最低，粒子速度最高，結(jié)合強(qiáng)度較高，孔隙率最低。噴涂方法耐磨性能的排列是:HVOF(及爆炸噴涂)等離子噴涂噴焊電弧噴涂火焰噴涂。結(jié)合以上分析，采用超音速火焰噴涂方法來(lái)制備涂層可以達(dá)到大幅度提高基材表面的使用性能，節(jié)約原材料的目的。 表1主要熱噴涂方法比較活性燃燒高速燃?xì)鈬娡考夹g(shù)  繼HVOF之后，美國(guó)和日本又相繼研究了燃?xì)馀c空氣混合燃燒的高速火焰噴涂系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱AC-HVAF，目的是進(jìn)一步降低噴涂過(guò)程中粉末材料的氧化以及氧氣的消耗。但當(dāng)時(shí)的AC-HVAF系統(tǒng)因粉末沉積率低以及存在安全方面的隱患而并未

5、收到預(yù)期的效果。2001年在前蘇聯(lián)科學(xué)研究成果的基礎(chǔ)上，美國(guó)TSR(Unique-Coat)公司研制成功AC-HVAF (Activated Combustion High-Velocity Air-Fuel Spraying  )高速火焰噴涂系統(tǒng)，使AC-HVAF噴涂技術(shù)以全新的面貌顯示出其獨(dú)特的涂層和工藝特點(diǎn)。圖1為美國(guó)Unique Coat公司生產(chǎn)的INTELLI-JET AC-HVAF熱噴涂系統(tǒng)，它是介于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂和冷噴涂之間的新噴涂工藝 ，可以稱為熱動(dòng)能噴涂，其特點(diǎn)是通過(guò)壓縮空

6、氣與燃料燃燒產(chǎn)生高速氣流加熱粉末，但并未使之完全熔化，同時(shí)將粉末加速至700m/s以上撞擊基體，形成極低氧化物含量和極高致密度的涂層。這種噴涂工藝過(guò)程對(duì)噴涂材料的熱退化影響非常低，制備的涂層表現(xiàn)出卓越的耐磨損及耐腐蝕特性；另一個(gè)突出的特點(diǎn)是生產(chǎn)效率高，其噴涂速率是傳統(tǒng)超音速火焰噴涂的510 倍，沉積效率也優(yōu)于傳統(tǒng)超音速火焰噴涂。圖1 INTELLI-JET AC-HVAF熱噴涂系統(tǒng)由于活性燃燒高速燃?xì)饣鹧鎳娡?，通過(guò)將粉末加熱但未完全熔化的方法，來(lái)沉積金屬和合金涂層，粉末粒子的表面溫度比所用噴涂材料的熔點(diǎn)低200250，這主要是使用燃燒溫度相對(duì)較低的丙烷燃料的結(jié)果；由于熱動(dòng)能

7、噴涂過(guò)程中噴涂粒子并沒(méi)有完全熔化，并且其粒子速度極高，噴涂粒子在AC-HVAF 焰流中的停留時(shí)間短，噴涂材料在噴涂過(guò)程中的氧化反應(yīng)受到了抑制，使涂層中的氧化物含量非常低；由于噴涂粒子的沖擊速度極高，在金屬基材上，工藝涂層可達(dá)到極高的結(jié)合強(qiáng)度，在碳鋼上，碳化物金屬陶瓷涂層的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)7084MPa，金屬涂層的結(jié)合強(qiáng)度在4784MPa之間。以下為AC-HVAF 涂層結(jié)合強(qiáng)度方面的兩個(gè)特性，充分體現(xiàn)了涂層優(yōu)越的力學(xué)性能。 (1) 涂層的結(jié)合強(qiáng)度幾乎不隨其厚度的增加而變化，這說(shuō)明涂層的殘余應(yīng)力極低。(2) 對(duì)鋁、鎂、鈦類基材而言，由于這些材料非?；顫?/p>

8、，表面極易形成氧化物保護(hù)膜，阻止其得到較好結(jié)合強(qiáng)度的熱噴涂涂層。但是利用AC-HVAF工藝制備的涂層卻表現(xiàn)出很高的結(jié)合強(qiáng)度。這是由于AC-HVAF工藝中噴涂粒子具有極高速度，并且未完全熔化，這樣就可以使這些高速固態(tài)粒子沖破這些材料的表面氧化薄層而嵌入到基材中，從而形成結(jié)合強(qiáng)度很高的涂層。 此外涂層還具有極高的致密度，并且提高了涂層的抗腐蝕和抗沖蝕能力。AC-HVAF 工藝所有這些特點(diǎn)使熱動(dòng)能噴涂在很大程度上降低了涂層的加工成本，更有利于熱噴涂技術(shù)的推廣應(yīng)用。優(yōu)異的性能使其在航空航天、電力、冶金、造紙、紡織、石油化工、食品、印刷等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。因此，采用AC-HVA

9、F是基材與涂層有效的進(jìn)行冶金結(jié)合。噴涂粉末和涂層制備 采用自制含有Fe，Cr，Ni，W，Mo，Si，B等元素的噴涂粉末，該合金粉末用惰性氣體霧化方法生產(chǎn)，粉末呈圓球形或類球形，表面非常光滑，而且粉末內(nèi)部顆粒均實(shí)心，具有非常好的流動(dòng)性，粉末粒度為45m左右，具有化學(xué)成分如表2所示?；念A(yù)處理 基材為0Cr13Ni5Mo不銹鋼，噴涂前對(duì)基材表面進(jìn)行除銹，除油等清潔處理，噴涂前進(jìn)行噴砂粗化處理，再對(duì)不噴涂部位進(jìn)行保護(hù)。熱噴涂噴涂粉末和涂層制備采用超音速新技術(shù)-活性燃料高速燃?xì)猓ˋC-HVAF）噴涂技術(shù)制備涂層，其工藝參數(shù)分別見(jiàn)表2。表2 Fe基粉末成分元素CrNiSiBWMoCoCFe含量（w/%）

10、15155.82.72610.5余量表3 AC-HVAF工藝參數(shù)空氣壓力/MPa一級(jí)燃燒/MPa二級(jí)燃燒/MPa噴涂距離/mm送粉速度/（g/min）0.5950.4550.24515024基材后處理：對(duì)基材進(jìn)行表面精加工，為提高表面硬度進(jìn)行滲硼處理硬度可達(dá)2000HV，進(jìn)行滲氮，滲鋁，滲硅，滲鉻處理可耐酸耐堿耐腐蝕。最后改善涂層質(zhì)量。總結(jié)Fe基非晶納米涂層的質(zhì)量及影響因素           非晶納米涂層質(zhì)量一般是通過(guò)測(cè)量氣孔率、粘著力、楊氏模量、殘余應(yīng)力以及在線跟蹤某些參數(shù)的幾種方

11、法來(lái)進(jìn)行表征。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)及本課題組相關(guān)研究成果，可知Fe基非晶涂層的形貌及性能有以下幾點(diǎn)： （1）涂層呈層狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)涂層結(jié)構(gòu)分布均勻，平整光滑，致密度高。         （2） 涂層孔隙率小，偶爾伴隨未熔化的粉末顆粒等現(xiàn)象。         （3） 涂層表面殘余應(yīng)力大及抗高溫性能差，限制了其更為廣泛的應(yīng)用。        &

12、#160;（4）涂層硬度高，耐磨性能好，摩損率較低， 與基體有效的冶金結(jié)合。（5）涂層具有好的耐腐蝕性能與良好的磁場(chǎng)屏蔽性能。參考文獻(xiàn)： 1 肖華星，陳光，喇培清.鐵基大塊非晶合金的摩擦磨損性能研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(2)：140141 466 2 張志焜，崔作林.納米技術(shù)與納米材料M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2000 3 師昌緒，徐濱士，張平，等.21世紀(jì)表面工程的發(fā)展趨勢(shì)J.中國(guó)表面工程，2001，14(1)：2 4 潘紀(jì)崗，樊自拴，孫冬柏，等.等離子噴涂鉬基非晶納米晶復(fù)合涂層的組織和電化學(xué)特性J.北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(4)：453457 5 潘繼崗，樊自拴，孫冬柏，等.采用兩種噴涂技術(shù)制備鐵基合金涂層的摩擦磨損特性研究J.摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(5)：41