电弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究.pdf

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1、第 1 卷 第 2 期 热 喷 涂 技 术 Vol.1,No.22009 年 12 月 Thermal Spray Technology Dec.,2009 电弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究电弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究 梁秀兵，白金元，程江波，刘燕，徐滨士（装甲兵工程学院，装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072）摘摘 要：要：FeCrBSiNb 非晶纳米晶复合涂层和 FeAlNbB 金属间化合物非晶纳米晶涂层均由非晶和纳米晶两相结构组成，涂层结合强度高，摩擦磨损性能等明显优于传统耐磨涂层，在机械金属零件的再制造修复领域应用前景广阔。关键词：关键词：电弧喷涂；铁基非晶纳米晶

2、复合涂层；再制造 中图分类号：中图分类号：TG174.4 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：1674-7127（2009）02-0023-04 Study on Amorphous and Nanocrystalline Composite Coatings prepared by Arc Spraying Process LIANG Xiu-bing，BAI Jin-yuan，CHENG Jiang-bo，LIU Yan，XU Bin-shi （National Key Laboratory for Remanufacturing，Academy of Armored Forc

3、e Engineering，Beijing 100072，China）Abstract:FeCrBSiNb amorphous and nanocrystalline coating and FeAlNbB intermetallic amorphous and nanocrystalline coating were developed，which both are composite structure of nanocrystalline phases embedded in an amorphous matrix.These amorphous and nanocrystalline

4、coatings present perfect high strength bonding and excellent anti-wear properties compared with the other traditional coatings,which exhibits widely applications prospect in the maintenance and remanufacturing fields.Keywords:Arc spraying；Fe-based amorphous and nanocrystalline coating；Remanufacture

5、基金项目：国家“863”计划项目（2009AA03Z342）；国防科技重点实验室基金资助项目（914OC85020508OC85）作者简介：梁秀兵（1974-），男，山东烟台人，博士，副研究员.Email： 非晶纳米晶合金新型材料具有一些奇特的性能，例如，高强度、高硬度、高电阻性、高韧性、良好的耐磨性和耐蚀性等，而且具有优良的磁学性能和超导电性1。在机械、电子、航空、航海和通讯等各个行业都具有广阔的应用前景。但是，由于制备工艺的限制，至今非晶纳米晶合金在实际中仍还没有得到大范围推广应用，其性能优势远未能够充分发挥出来。目前，利用先进的热喷涂技术是对非晶纳米晶合金制备技术的新开拓，非晶纳米晶复合

6、涂层技术发展迅速。电弧喷涂技术具有优质、高效、低成本等特点，近年来在材料制备与成形一体化方面发挥着重要的作用。电弧喷涂具有非平衡的熔化加热快速凝固特点，熔融的喷涂粒子在扁平化过程中具有极高的冷却速率，容易获得非晶纳米晶复合涂层，而且适宜于大面积制备，为非晶纳米晶复合涂层材料的广泛应用提供了技术基础2。本文介绍采用自动化高速电弧喷涂技术制备用于机械零件再制造的两类高性能、低成本的铁基非晶纳米晶复合涂层材料。1 FeCrBSiNb 非晶纳米晶复合涂层 图 1 为 FeCrBSiNb 非晶纳米晶涂层的 XRD 曲线图谱。图谱中在 2 45（）处出现了一个漫散射峰，是典型的非晶态结构的 XRD 图谱，

7、说明在电弧喷涂过程中已经形成了非晶相。通过 Verdon 方 24 热 喷 涂 技 术 1 卷 法3对 XRD 图谱进行 Pseudo-Voigt 函数拟合，宽峰为涂层内部非晶母相，尖锐峰为涂层中析出晶体峰，通过拟合的数据计算得到涂层中非晶相的含量为 63.2（体积分数）。在 X 射线图谱中还存在强度不高的晶化峰，说明涂层在沉积过程中形成了少量的晶体相，经分析为-Fe（Cr）相。图谱中没有氧化物峰存在，说明涂层在沉积过程中 B 元素的脱氧作用明显。图 1 FeCrBSiNb 涂层的 XRD 图谱及曲线拟合图 Fig.1 XRD patterns and fitting curves of Fe

8、CrBSiNb coating 图2为FeCrBSiNb非晶纳米晶涂层截面组织形貌，涂层的厚度约为 0.8 mm。涂层组织均匀，结构致密，层与层之间结合完好，没有裂纹。涂层与基体结合紧凑，界面处没有出现裂纹，只有少量的孔隙存在。涂层局部区域的结构呈现出块状材料的特征，涂层固有的层片状结构不明显。涂层内部扁平的粒子间结合完好，在微区甚至发生了冶金结合。这是因为在喷涂过程中，连续沉积的熔融态粒子在时，会产生热软化，这将促进喷涂粒子间发生塑性变形和机械互锁机制，从而形成致密的涂 层4-5。同时，B 元素的脱氧作用大幅度降低了涂层中的氧化凝固时会释放结晶潜热，从而导致涂层局部区域产生过热现象。当粒子的

9、温度值接近非晶转变温度物含量，改善了喷溅粒子的表面洁净度，从而使得粒子与粒子间发生微区的冶金结合，涂层与基体结合强度为 53.7 MPa。利用图像分析软件测量涂层的孔隙率仅为 1.7。图 3 透射电镜结果表明，涂层在沉积过程中在非晶母相中原位生成平均晶粒尺寸为 4060 nm 的 -Fe（Cr）相纳米晶粒。图4显示了FeCrBSiNb非晶纳米晶涂层截面的显微硬度沿深度方向分布。可以看出涂层的硬度在900 HV0.11050 HV0.1 范围内变化。由于涂层中均匀分布着-Fe（Cr）相纳米晶粒，这些纳米晶粒起到弥散强化和阻滞裂纹扩散的作用，而且涂层中含有的非晶相，本身就具有较高的硬度和优异耐腐蚀

10、性能。此外，涂层具有低的孔隙率和高的致密度，也提高了涂层硬度。图 2 FeCrBSiNb 涂层的截面扫描电镜照片 Fig.2 SEM image of FeCrBSiNb coatings section 图 3 FeCrBSiNb 涂层的透射电镜照片 Fig.3 TEM image of FeCrBSiNb coating 图 4 FeCrBSiNb 涂层显微硬度硬度曲线 Fig.4 Hardness distribution of FeCrBSiNb coating 350 Distance across the interface/m Hardness(HV0.1)2 期 梁秀兵，等：电

11、弧喷涂非晶纳米晶复合涂层材料研究 25 图 5 为载荷为 500 N，线速度为 0.84 m/s 干摩擦条件下，FeCrBSiNb 非晶纳米晶复合涂层、3Cr13涂层和 45 钢基体的磨损量分布图。在相同实验条件下，非晶纳米晶涂层的磨损量远小于 3Cr13 涂层和 45 钢基体，其相对耐磨性为 3Cr13 涂层的 2.6倍，为 45 钢的 12.8 倍。由于涂层内部结构以及内聚强度的差别导致涂层的磨损量和磨损机理不同。纳米晶结构的涂层与基体结合紧密，其组织更均匀致密，孔隙率与氧化物含量低，使得该涂层发生剥层磨损的趋势大大减少，而以轻微的磨粒磨损为主，磨损量较低。并且非晶基体中存在弥散分布的-F

12、e（Cr）纳米晶粒，这些纳米晶粒在一定程度上起到弥散强化作用，在磨损过程中阻止材料的裂纹扩展，因此非晶纳米晶涂层具有良好的耐磨性。而3Cr13 涂层具有明显的层状结构，且层与层之间存在大量氧化物，大大降低了涂层的内聚强度，比较容易引发疲劳磨损中的剥层磨损，故磨损量较大。图 5 不同涂层与基体材料的磨损量比较图 Fig.5 Ware loss comparison of coatings and 45 steel 2 FeAlNbB 金属间化合物非晶纳米晶涂层 金属间化合物主要是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物。金属间化合物种类较多，结构材料领域的研究主要集中于 Fe-Al 系、

13、Ni-Al 系和 Ti-Al 系三类。Fe-Al 系金属间化合物主要是指 Fe3Al 和 FeAl。尤其，在喷涂领域中，Fe3Al金属间化合物涂层具有优异的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、高比强度以及成本低等突出优点引起广泛关注6-7。Fe3Al 由于原子间金属键与共价键的共存性,使其具有金属和陶瓷的性能特点，但其室温塑性及后加工性能差成为制约其应用的主导因素。合金化是改善其室温塑性，提高后加工性能的主要途径。在 Fe-Al 基粉芯丝材基础上，加入适量的合金元素，制备了 4 种粉芯丝材，并利用自动化高速电弧喷涂系统在 45 基体表面制备涂层，对涂层组织结构、力学性能与摩擦磨损性能进行了实验研究。406

14、080100FeAlCrNbBREFeAlCrNbBFeAlNbBIntensity(a.u.)2/(o)FeAl 图 6 四种 FeAl 基金属间化合物涂层的 XRD 谱图 Fig.6 XRD patterns of FeAl intermetallic compound coatings 由图 6 XRD 测试结果可以看出，4 种涂层中相成分相差不大，均以 Fe3Al 和-Fe 相为主，含有少量氧化物。由表 1 可知，FeAlNbB 涂层平均硬度值最大，为 451HV0.1，FeCrAlNbB 涂层平均硬度值最小，仅为 236HV0.1。虽然 Cr 元素在耐蚀性方面作用明显，但对涂层硬度影

15、响较大，尚有待于进行深入分析研究。由表 2 可以看出，4 种涂层结合强度值均大于 35 MPa，其中 FeAlNbB 涂层平均结合强度值高达 53 MPa。说明在喷涂过程中发生了较为充分的铝热反应，涂层与基体可能产生了微冶金结合。表 1 涂层显微硬度 Table 1 Microhardness of coatings（HV0.1）涂层材料 显微硬度值 平均值 FeAl 307285 311 294 311 301.6 FeAlNbB 478464 443 434 437 451.2 FeAlCrNbB 263258 196 258 204 235.8 FeAlCrNbBRE377424 352

16、 379 304 367.2 40 60 80 1002/（）Intensity（a.u.）26 热 喷 涂 技 术 1 卷 表 2 涂层平均结合强度 Table 2 Average bonding strength of coatings/MPa 图 7 FeAlNbB 涂层截面扫描电镜照片 Fig.7 SEM photo of FeAlNbB coatings section 图 8 FeAlNbB 涂层透射电镜照片 Fig.8 TEM photo of FeAlNbB coating 由图7 FeAlNbB涂层截面SEM分析可以看出，涂层呈典型的层状结构，层与层间由粒子相互搭接堆积反应形

17、成机械嵌合和微冶金结合。这是由于在喷涂过程中绝大部分雾化粒子以熔化状态撞击到了基体上或上一层扁平颗粒上，粒子铺展良好，迅速沉积固化的同时，发生了部分铝热反应8-9，从而形成了层状搭接咬合结构。在层与层间弥散分布着灰黑色相，主要是 Fe3Al 和 Al2O3氧化物，灰色区域主要是 Fe3Al 和-Fe 相。涂层中层与层之间结合致密，通过图像分析软件测量涂层平均孔隙率为2%5%。图 8 透射电镜结果表明，FeAlNbB 涂层由非晶相和纳米晶相组成，其中 A 区为富 Al、B、O 元素的非晶相，B 区为富 Fe、Al 元素的纳米晶相。根据 XRD 衍射结果和谢乐公式计算 FeAlNbB涂层的平均晶粒

18、尺寸为 1030 nm，与透射电镜结果基本一致。利用 MM200 磨擦磨损试验机对 4 种涂层性能进行了考核，以磨损量为考核指标的实验结果如 图 9 所示，每一组左侧是干磨擦条件下的磨损量，右侧是油润滑条件下的磨损量。可以看出，两种条件下，FeAl 涂层磨损量最大，其它三种涂层磨损量相当，添加合金元素后的非晶纳米晶涂层耐磨性远高于 FeAl 涂层。222111FeCrAlNbBREFeAlNbBFeCrAlNbBFeAl12 图 9 四种涂层在干摩擦与油润滑条件下 的磨损量对比 Fig.9 Wear loss comparison of coatings with and without oi

19、l lubrication 3 结论 采用自动化高速电弧喷涂技术成功制备了两类高性能、低成本的铁基非晶纳米晶复合涂层。FeCrBSiNb 涂层中，4060 nm 的球形纳米晶粒弥散在非晶母相中，非晶含量超过 60%。涂层具有低氧化物、高硬度、高结合强度的特点，且具有优异的耐磨性能，干摩擦条件下，为 3Cr13 喷涂层的2.6 倍。FeAlNbB 金属间化合物非晶纳米晶涂层主要由 1030 nm 的纳米晶相和非晶相组成，涂层结合强度高大于 50 MPa，且耐磨性能优异。以上两类高结合强度的铁基非晶纳米晶复合涂层材料在机械轴类零件的耐磨损与尺寸恢复等再制造领域应用前景广阔。（下转第 30 页）Fe

20、Al FeAlNbB FeAlCrNbB FeAlCrNbBRE结合强度 平均值 36.8 53 40.2 46.2 A 非晶相区非晶相区 B 纳米晶相区纳米晶相区 1 为干摩擦；2 为油润滑 Wear loss/mm3 0.400.350.300.250.200.150.100.050.00 30 热 喷 涂 技 术 1 卷 气泡产生，有利于火焰喷涂。2上述方法制备的柔性底层材料，经火焰喷涂后，涂层的硬度、结合强度、热冲击、弯曲、高温抗氧化性能等性能均表现为良好；从涂层的微观结构观察，涂层各组分分布均匀。参考文献 1 郭洪波，徐惠彬，宫声凯，等.表面强化对 EB-PVD热障涂层的高温氧化性能

21、及结合强度的影响J.稀有金属材料与工程，2001，30（4）：314-317.2 邓世均.热障陶瓷涂层的最新发展J.材料保护，2003，36（3）：5-7.3 Watanabe M，Mercer C，Levi C G，et al.A probe for the high temperature deformation of thermal barrier oxidesJ.Acta Materialia，2004，52：1479-1487.4 Qian L H，Zhu S J，Yutaka Kagawa，et al.Tensile damage evolution behavior in pla

22、sma-sprayed thermal barrier coating system J.Surface and coatings Technology，2003，173：178-184.5 Padture Nitin P，Maurice Gell，Jordan Eric H.Thermal Barrier Coatings for Gas-Turbine Engine Applications J.Science Compass，2002，296：280-284.（上接第 26 页）参考文献 1 Schuh C A，Hufnagel T C，Ramamurty U.Mechanical be

23、havior of amorphous alloysJ.Acta Mater.，2007，55：4067-4109.2 梁秀兵，徐滨士，魏世丞，等.热喷涂亚稳态复合涂层研究进展J.材料导报，2009，23（3）：1-4.3 Verdon C，Karimi A，Martin J L.A study of high velocity oxy-fuel thermally sprayed tungsten carbide based coatings.Part 1：microstructuresJ.Mater.Sci.Eng.A，1998，246：11-24.4 Wu Y，Lin P，Xie G，e

24、t al.Formation of amorphous and nanocrystalline phases in high velocity oxy-fuel thermally sprayed a Fe-Cr-Si-B-Mn alloyJ.Mater.Sci.Eng.A，2006，430：34-39.5 Ajdelsztajn L，Jodoin B，Richer P，et al.Cold gas dynamic spraying of iron-base amorphous alloyJ.J.Therm.Spray Technology，2006，15（4）：495-500.6 McKam

25、ey C G，DeVan J H，Tortorelli P E，et al.A review of recent developments in Fe3Al-based alloysJ.J.Mater.Res.，1991，6：1779-1783.7 薛飞，刘江南，严文.Fe3Al 金属间化合物研究现状与发展J.西安工业学院学报，2000，20（1）：67-72.8 La P Q，Yang J，David J H.Bulk Nanocrystalline Fe3Al-Based Material Prepared by Aluminothermic ReactionJ.Advanced Materials，2006，18：733-737.9 牛二武，阎殿然，何继宁，等.反应等离子喷涂合成Fe-FeAl2O4-Al2O3复合涂层的研究J.材料热处理学报，2005，26（4）：91-94.