表面工程學大作業(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知識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合； （3） 涂層必須耐酸耐堿的腐蝕。 小組成員：金科進 游圣偉 吳智摘要：利用先進的AC-HVAF噴涂技術制備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不銹鋼冶金結合很好，涂層孔隙率低；涂層厚度均勻，硬度最高可達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、晶界和

2、成分偏析等，具有獨特而優(yōu)異的性能，如較高的強度、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構，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，同時又具有納米材料優(yōu)良的抗耐磨性的特點，相對于傳統(tǒng)材料具有更為獨特而優(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提高材料耐磨性能、非晶化技術提高材料耐蝕性能的特點，將納米化技術與非晶化技術相結合，用于制備耐蝕耐磨綜合性能優(yōu)異的非晶納米晶復合涂層。  Fe基非晶合金作為一種新材料，具有優(yōu)異的耐蝕，耐磨，高的強度及韌性等性能越來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年美國的I.A.Borwing發(fā)明了HVOF技術，該技術通過提高粒子速度，使之達到超音速，從而具有較高的動能，轟擊基材時沖擊動能變?yōu)闊崮?，同時使顆粒產(chǎn)生充分的形變，得到致密的涂層，沉積粒子間孔隙率小。高速和相對較低的溫度是超音速火焰噴涂熱噴工藝方法的2個主要特征。超音速火焰噴涂主要貢獻在于其大幅度地提高了熱噴涂涂層的結合強度，密度和硬度，并且同時減小甚至消除了涂層中的氧化物質量分數(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，結合強度較高，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。結合以上分析，采用超音速火焰噴涂方法來制備涂層可以達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氣噴涂技術  繼HVOF之后，美國和日本又相繼研究了燃氣與空氣混合燃燒的高速火焰噴涂系統(tǒng)，簡稱AC-HVAF，目的是進一步降低噴涂過程中粉末材料的氧化以及氧氣的消耗。但當時的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、收到預期的效果。2001年在前蘇聯(lián)科學研究成果的基礎上，美國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噴涂技術以全新的面貌顯示出其獨特的涂層和工藝特點。圖1為美國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 ，可以稱為熱動能噴涂，其特點是通過壓縮空

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。這種噴涂工藝過程對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；另一個突出的特點是生產(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氣火焰噴涂，通過將粉末加熱但未完全熔化的方法，來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低200250，這主要是使用燃燒溫度相對較低的丙烷燃料的結果；由于熱動能

7、噴涂過程中噴涂粒子并沒有完全熔化，并且其粒子速度極高，噴涂粒子在AC-HVAF 焰流中的停留時間短，噴涂材料在噴涂過程中的氧化反應受到了抑制，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，工藝涂層可達到極高的結合強度，在碳鋼上，碳化物金屬陶瓷涂層的結合強度超過7084MPa，金屬涂層的結合強度在4784MPa之間。以下為AC-HVAF 涂層結合強度方面的兩個特性，充分體現(xiàn)了涂層優(yōu)越的力學性能。 (1) 涂層的結合強度幾乎不隨其厚度的增加而變化，這說明涂層的殘余應力極低。(2) 對鋁、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膜，阻止其得到較好結合強度的熱噴涂涂層。但是利用AC-HVAF工藝制備的涂層卻表現(xiàn)出很高的結合強度。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，從而形成結合強度很高的涂層。 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 工藝所有這些特點使熱動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的推廣應用。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、印刷等領域具有很好的應用前景。因此，采用AC-HVA

9、F是基材與涂層有效的進行冶金結合。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)部顆粒均實心，具有非常好的流動性，粉末粒度為45m左右，具有化學成分如表2所示?；念A處理 基材為0Cr13Ni5Mo不銹鋼，噴涂前對基材表面進行除銹，除油等清潔處理，噴涂前進行噴砂粗化處理，再對不噴涂部位進行保護。熱噴涂噴涂粉末和涂層制備采用超音速新技術-活性燃料高速燃氣（AC-HVAF）噴涂技術制備涂層，其工藝參數(shù)分別見表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一級燃燒/MPa二級燃燒/MPa噴涂距離/mm送粉速度/（g/min）0.5950.4550.24515024基材后處理：對基材進行表面精加工，為提高表面硬度進行滲硼處理硬度可達2000HV，進行滲氮，滲鋁，滲硅，滲鉻處理可耐酸耐堿耐腐蝕。最后改善涂層質量?？偨YFe基非晶納米涂層的質量及影響因素           非晶納米涂層質量一般是通過測量氣孔率、粘著力、楊氏模量、殘余應力以及在線跟蹤某些參數(shù)的幾種方

11、法來進行表征。據(jù)文獻報導及本課題組相關研究成果，可知Fe基非晶涂層的形貌及性能有以下幾點： （1）涂層呈層狀結構，整個涂層結構分布均勻，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） 涂層表面殘余應力大及抗高溫性能差，限制了其更為廣泛的應用。        &

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合。（5）涂層具有好的耐腐蝕性能與良好的磁場屏蔽性能。參考文獻： 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.摩擦學學報，2006，26(2)：140141 466 2 張志焜，崔作林.納米技術與納米材料M.北京：國防工業(yè)出版社，2000 3 師昌緒，徐濱士，張平，等.21世紀表面工程的發(fā)展趨勢J.中國表面工程，2001，14(1)：2 4 潘紀崗，樊自拴，孫冬柏，等.等離子噴涂鉬基非晶納米晶復合涂層的組織和電化學特性J.北京科技大學學報，2005，27(4)：453457 5 潘繼崗，樊自拴，孫冬柏，等.采用兩種噴涂技術制備鐵基合金涂層的摩擦磨損特性研究J.摩擦學學報，2005，25(5)：41