（材料科学与工程专业论文）铁基非晶合金涂层设计与制备及性能研究.pdf

、_一 j昏r 独创性声明 iylullllllllllll7lllu8lltlll8llllll8llllll2lliill4llllly 17 8 8 8 2 4 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中做了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：血蝴 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢拉新龆趔 一i，r l j 摘要 摘要 循环流化床锅炉与传统燃煤锅炉相比具有煤种适应性广、污染物控制成本 低、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点，被广泛应用在电力、石油、化 工以及垃圾处理等领域，但是锅炉“四管 的严重冲蚀磨损影响了机组的正常运 行，解决这一问题的有效途径是在受磨损部件的表面制备一层性能优异的耐磨蚀 涂层。非晶合金与传统合金材料相比，具有高强度、高硬度、耐磨损、耐腐蚀等 独特而优异的性能，采用喷涂技术制备非晶涂层可以将非晶合金推向工程耐磨损 防护的应用领域，在一定程度上缓解循环流化床锅炉四管冲蚀磨损带来的问题。 本文在分析非晶合金系发展历程及非晶形成能力影响因素的基础上，借鉴非 晶合金配方制备的经验规则，以f e c r m o c b 系非晶合金系为基础系列，自主研发 了两个系列具有较强非晶形成能力的铁基粉芯线材，利用高速电弧喷涂技术制备 了f e c r m o c b s i 系和低合金量f e 基非晶合金系两种系列的非晶合金涂层。测试和 分析了两种系列非晶涂层的相结构、微观组织结构、显微硬度、热稳定性、耐高 温氧化性能、耐涂盐腐蚀性能、结合强度和耐磨粒磨损性能。探讨了硅硼含量对 f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层性能的影响、镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层 性能的影响、硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层性能的影响。并对低 合金量f e 基非晶合金系列涂层在3 0 0 、9 0 0 冲蚀角度不同温度下的耐冲蚀性能展开 了测试和分析。主要研究成果如下： 所制备的f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层和低合金量f e 基非晶合金涂层的非晶 相含量分别为6 5 5 、7 0 2 ；涂层均呈典型的层状结构，致密性较好；涂层截 面显微硬度均超过1 3 0 0 h v 0 1 ，结合强度大于3 0 m p a ；两种非晶涂层的晶化转变 温度分别为8 5 3 k 和8 5 5 k ；在6 5 0 条件下，两种非晶涂层与铁基碳化硼涂层和铁 基碳化铬涂层相比具有较好的耐氧化防护效果；f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层在 4 5 0 条件下的耐磨粒磨损性能为g c r l 5 轴承钢球的5 1 倍，低合金量f e 基非晶合 金涂层在5 0 0 下的耐磨粒磨损性能为g c r l 5 轴承钢球的5 2 倍。 硅硼含量的调整使f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的非晶含量在4 7 到6 5 1 之间变动，随着涂层中非晶相含量的增加涂层的显微硬度随之提高；硅硼含量变 化对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的晶化温度没有影响；非晶相含量较高的配方 表现出较好的耐磨粒磨损性能。镍稀土的添加使低合金量f e 基非晶涂层的非晶含 量提高到7 6 5 ，晶化转变温度t x 有所提高，涂层表现出较高的显微硬度和较好 的耐磨粒磨损性能。硼与合金量调整使低合金量f e 基非晶合金涂层的非晶含量在 7 1 1 至u 7 4 2 之间变动，添加1 6 原子分数硼元素的涂层中的非晶相含量最高， 涂层的截面显微硬度随非晶含量的升高而提高；硼与合金量的变化对低合金量f e 基非晶合金涂层的热稳定性能没有影响；非晶相含量较高的配方有较好的耐磨粒 北京工业大学工学硕士论文 磨损性能。 同一非晶合金系列中，非晶相含量较高的涂层在各种测试条件下均表现出较 好的耐冲蚀磨损性能；低合金量f e 基非晶涂层在相同温度测试条件下，9 0 0 冲蚀 角的冲蚀失重量明显大于3 0 0 冲蚀角；低合金量f e 基非晶涂层在不同温度下冲 蚀失重量有所差别。低合金量f e 基非晶涂层经3 0 。冲蚀角测试后，表面出现明 显切削、犁沟形痕和轻微的脆性坑状剥落，经9 0 0 冲蚀角测试后，表面出现脆性 断裂、坑状剥落。 关键词非晶涂层；电弧喷涂；非晶含量；磨粒磨损；冲蚀磨损 a bs t r a c t c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc o a l f i r e db o l i l e r , c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e db o l i e rh a s as e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sc o a la d a p t a b i l i t y , p o l l u t i o nc o n t r o l ，l o w c o s t ，l o a d r e g u l a t i o np e r f o r m a n c e ，e a s y - t o a s hu t i l i z a t i o n i ti sw i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e r , p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，a n dw a s t e d i s p o s a la r e a s ，b u tt h es e r i o u se r o s i o nw e a l o ft h e f o u r - t u b ea f f e c t e dt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h eu n i t a ne f f e c t i v ew a yt os o l v et h i s p r o b l e mi st op r e p a r eo n ek i n do fa b l a t i o n - r e s i s t a n tc o a t i n go nt h es u r f a c el a y e r a m o r p h o u sa l l o y sh a v eh i g hs t r e n g t h ，h i 曲h a r d n e s s ，w e a l r e s i s t a n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n do t h e ru n i q u ea n do u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e ，u s i n gs p r a yt e c h n o l o g yt o p r e p a r ea m o r p h o u sc o a t i n g sc a l lp u tt h e mi n t ot h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n so f w e a r - r e s i s t a n tp r o t e c t i o n , t oac e r t a i ne x t e n t ，e a s et h ep r o b l e m sc a u s e db ye r o s i o n w e a ro ft h ef o u r - t u b e i nt h i s s t u d y , t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fa m o r p h o u sa l l o y sa n df a c t o r so f g l a s s f o r m i n ga b i l i t y w e r e a n a l y z e d ，t h ee x p e r i e n c eo ff o r m u l a t i o nr u l e so f a m o r p h o u sa l l o yp r e p a r a t i o nw e r el e a r n e d ，a n df e - b a s e dc o r e dw i r e sw i t hh i 曲g l a s s f o r m i n ga b i l i t yw e r ed e s i g n e da n dp r e p a r e d f e c r m o c b s ia m o r p h o u sc o a t i n ga n d f e - b a s e dl o w - a l l o ya m o r p h o u sc o a t i n gw e r ed e p o s i t e db y h i 曲v e l o c i t ya r cs p r a y i n g t e c h n o l o g y t h ep h a s es t r u c t u r e ，m i c r o s t r u c t u r e ，m i c r oh a r d n e s s ，t h e r m a ls t a b i l i t y , o x i d a t i o nr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，b o n ds t r e n g t ha n da b r a s i v ew e a r r e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n g sw e r ec h a r a c t e r i z e d e f f e c to fs i bs u b s t i t i o no n p r o p e r t yo f f e c r m o c b s ia m o r p h o u sc o a t i n g ，e f f e c to fn i c k e lr eo np r o p e r t yo f f e b a s e d l o w - a l l o ya m o r p h o u sc o a t i n ga n de f f e c to fba n da l l o yc o n t e n to np r o p e r t yo f f e b a s e dl o w - a l l o ya m o r p h o u sc o a t i n gw e r ed i s c u s s e d t h ee r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h e f e - b a s e dl o wa l l o yc o a t i n g si n30o ，9 0oe r o s i o na n g l eu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e w e r ea n a l y z e d s o m eo fm a i ne x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da s f o l l o w s t h ea m o r p h o u sp h a s ec o n t e n to ff e c r m o c b s ic o a t i n ga n df e b a s e dl o wa l l o y c o a t i n gw e r e6 5 5 ，7 0 2 t h ec o a t i n g sh a v eat y p i c a ll a y e r e ds t r u c t u r ea n da g o o d c o m p a c t n e s s t h em i c r o h a r d n e s so ft h ec o a t i n g sa r e i ne x c e s so f13 0 0 h v 0 1 ，t h e b o n ds t r e n g t ha r ea l l g r e a t e rt h a n30 m p a t h ec r y s t a l l i n et r a n s i t i o no ft h et w o c o a t i n g s a r e8 5 3 ka n d8 5 5 k t h et w oa m o r p h o u sc o a t i n g sa r ea l lh a v eg o o d r e s i s t a n c et oo x i d a t i o na t6 5 0 c o m p a r e dw i t hf eb a s e db o r o nc a r b i d ec o a t i n ga n d f eb a s e dc h r o m i u mc a r b i d ec o a t i n g t h er e l a t i v ew e a r - r e s i s t a n tp r o p e r t yo ft h e f e c r m o c b s ic o a t i n gi s5 1t i m e sb yg c r l5b e a t i n gb a l la t4 5 0 。c t h er e l a t i v e i i i 北京工业大学工学硕士论文 w e a r - r e s i s t a n tp r o p e r t yo ft h ef eb a s e dl o wa l l o yc o a t i n gi s 5 2t i m e sb yg c r l5 b e a r i n gb a l la t5 0 0 c t h ea m o r p h o u sp h a s ec o n t e n to ft h ef e c r m o c b s ia m o r p h o u sc o a t i n g s c h a n g e d f r o m4 7 t o6 5 1 w i t ht h e a d j u s t m e n t o fs i l i c o n - b o r o r gt h e m i c r o - h a r d n e s so ft h ec o a t i n g si n c r e a s ew i mt h ei n c r e a s eo fa m o r p h o u sc o n t e n t t h e a d j u s t m e n t o fs i l i c o n - b o r o nd i d n o ta f f e c tt h e c r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r eo f f e c r m o c b s ia m o r p h o u sc o a t i n g s t h ec o a t i n gh a sh i g ha m o r p h o u sp h a s ec o n t e n t s h o w e dg o o da b r a s i v ew e a l r e s i s t a n c e a d d i t i o n so fn i c k e lr ep r o m o t et h e a m o r p h o u sp h a s ec o n t e n to ft h ef e - b a s e dl o wa l l o yc o a t i n g ，t h el - a 2c o a t i n gh a s a m o r p h o u sp h a s ec o n t e n to f7 6 5 ，t h ec r y s t a l l i z a t i o nt r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f t h e c o a t i n g i sa l s oi n c r e a s e d ，a n dt h ec o a t i n gs h o w e dh i g h e rh a r d n e s sa n db e t t e ra b r a s i v e w e a rr e s i s t a n c e t h ea m o r p h o u sp h a s ec o n t e n to ft h ef e - b a s e dl o wa l l o yc o a t i n g s c h a n g e df r o m7 1 1 t o7 4 2 w i t ht h ea d j u s to f b o r o na n da l l o yc o n t e n t , t h ec o a t i n g w i t h16 a t o mf t a c t i o no fb o r o na d d e dh a st h eh i g h e s to fa m o r p h o u sp h a s ec o n t e n t ， t h em i c r o - h a r d n e s so ft h ec o a t i n g si n c r e a s ew i mt h ei n c r e a s eo fa m o r p h o u sc o n t e n t t h ec h a n g e so ft h ea m o u n to f b o r o na n da l l o yd i d ta f f e c tt h e r m a ls t a b i l i t yo ft h e f e - b a s e dl o wa l l o yc o a t i n g s t h ec o a t i n gh a sh i 曲c o n t e n to fa m o r p h o u sp h a s eh a ss h o w ng o o dr e s i s t a n c et o e r s i o nw e a ri nav a r i e t yo ft e s tc o n d i t i o n s t h ee r o s i o nw e i g h tl o s so ff e - b a s e d l o w a l l o ya m o r p h o u sc o a t i n g si n9 0 0e r o s i o na n g l ei sl a g e rt h a ni n3 0 。e r o s i o na n g l e u n d e rt h es a m ec o n d i t i o n t h ee r o s i o nw e i g h tl o s so ff e - b a s e dl o w a l l o ya m o r p h o u s c o a t i n gs h o w i n gd i f f e r e n tw e i g h tl o s su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s 1 1 1 es u r f a c eo f f e - b a s e dl o w a l l o ya m o r p h o u sc o a t i n g sa p p e a r a n c ec l e a r - c u t t i n g ，f u r r o w s h a p e d s c a ra n ds l i g h tb r i t t l e n e s so fp i t l i k es p a l l i n ga f t e re r o d e db yt h e30 0a n g l et e s t , b r i t t l ef r a c t u r ea n dp i t - l i k ep e e l i n ga p p e a r a n c ea f t e re r o d e db yt h e9 0 0a n g l et e s t k e y w o r d sa m o r p h o u sc o a t i n g ；a r cs p r a y i n g ；a m o r p h o u sp h a s ec o n t e n t ；a b r a s i v e w e a r ；e r o s i o nw e a r i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t m 第1 章绪论：。：一1 1 1 课题背景及研究意义。1 1 1 1 课题背景：；瓤l 1 1 2 课题研究意义3 1 2 非晶合金的制备与发展3 1 2 1 非晶合金系的发展3 1 2 2f e 基非晶合金系的发展6 1 2 3 非晶合金的传统制备方法。7 1 3 非晶合金的性能1 0 1 4 热喷涂技术制备非晶合金涂层研究进展1 2 1 4 1 超音速火焰喷涂制备非晶涂层1 3 1 4 2 等离子喷涂制备非晶涂层1 4 1 4 3 电弧喷涂制备非晶涂层1 4 1 5 课题的主要研究目的与内容15 第2 章粉芯线材研制与试验方法17 2 1 非晶合金系的选择1 7 2 2 粉芯线材的制各1 7 2 2 1 配方的制定原则1 7 2 2 2 材料的选择18 2 2 3 粉芯线材的拉制1 9 2 3 涂层的制备19 2 4 涂层性能的测试方法2 0 2 4 1 涂层的相结构2 0 2 4 2 涂层的微观组织结构2 1 北京工业大学工学硕士论文 2 4 3 涂层的显微硬度2 1 2 4 4 涂层的热稳定性能2 1 2 4 5 涂层的结合强度2 1 2 5 6 涂层的耐高温氧化性能- 2 2 2 5 7 涂层的耐涂盐腐蚀性能2 2 2 5 8 涂层的耐高温磨粒磨损性能2 3 2 5 9 涂层的耐高温冲蚀磨损测试2 4 2 6 本章小结2 5 第3 章f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的制备及性能2 7 3 1f e c r m o c b s i 系丝材配方2 7 3 2f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的性能2 7 3 2 1f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的相结构。2 7 3 2 2f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的微观组织结构2 8 3 2 3f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的显微硬度2 9 3 2 4f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的热稳定性能3 0 3 2 5f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的结合强度3 1 3 2 6f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的耐高温氧化性能。3 1 3 2 7f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的耐涂盐腐蚀性能3 2 3 2 8f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层的耐磨粒磨损性能。3 3 3 3 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层性能的影响。3 4 3 3 1 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层相结构的影响3 4 3 3 2 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层热稳定性能的影响3 5 3 3 3 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层微观组织结构的影响3 6 3 3 4 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层硬度的影响3 7 3 3 5 硅硼含量对f e c r m o c b s i 系非晶合金涂层耐磨粒磨损性能的影响3 7 3 4 本章小结3 9 第4 章低合金量f e 基非晶合金涂层的制备及性能4 1 4 1 低合金量f e 基丝材配方4 1 目录 4 2 低合金量f e 基非晶合金涂层的性能。4 1 4 2 1 低合金量f e 基非晶合金涂层的相结构一4 1 4 2 2 低合金量f e 基非晶合金涂层的微观组织结构一4 2 4 2 3 低合金量f e 基非晶合金涂层的显微硬度：4 3 4 2 4 低合金量f e 基非晶合金涂层的热稳定性能一4 3 4 2 5 低合金量f e 基非晶合金涂层的结合强度：4 4 4 2 6 低合金量f e 基非晶合金涂层的耐高温氧化性能4 4 4 2 7 低合金量f e 基非晶合金涂层的耐涂盐腐蚀性能4 5 4 2 8 低合金量f e 基非晶合金涂层的耐磨粒磨损性能4 6 4 3 镍稀土对低合金f e 基非晶合金涂层性能的影响4 7 4 3 1 镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层相结构的影响4 7 4 3 2 镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层热稳定性能的影响4 8 4 3 3 镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层微观组织结构的影响4 9 4 3 4 镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层硬度的影响4 9 4 3 5 镍稀土对低合金量f e 基非晶合金涂层耐磨粒磨损性能的影响一5 0 4 4 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层性能的影响5 1 4 4 1 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层相结构的影响5 1 4 4 2 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层热稳定性能的影响5 3 4 4 3 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层微观组织的影响5 3 4 4 4 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层硬度的影响5 4 4 4 5 硼与合金量变化对低合金量f e 基非晶合金涂层耐磨粒磨损性能的影 响5 5 4 5 本章小结5 6 第5 章低合金量f e 基非晶合金涂层的耐冲蚀性能5 7 5 1 铁基非晶合金系列的选择5 7 5 2 低合金量f e 基非晶合金涂层的冲蚀磨损性能5 7 5 2 1l a 1 和l - a 2 的冲蚀磨损性能5 7 5 2 2 硼与合金量调整系列的冲蚀磨损性能5 9 5 3 低合金量f e 基非晶合金涂层的冲蚀形貌6 0 北京工业大学工学硕士论文 5 3 1 镍稀土添加对比系列的冲蚀磨损形貌6 0 5 3 2 硼与合金量调整系列的冲蚀磨损形貌6 2 5 4 本章小结。6 3 结论6 5 参考文献6 7 攻读硕士学位论文期间取得的成果7 5 致谢7 7 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 能源与环境问题是当今社会发展的两大问题。我国是煤炭生产大国，同时也 是煤炭消费大国。我国消耗的一次能源主要是原煤。目前我国一次能源消耗中煤 炭占7 5 ，而且这种比例将在相当长的一段时期内不会有大的改变。据分析，到 本世纪中叶，我国的能源消耗总量将增长为现在的3 倍，而其中煤的比重将不少 于5 0 【l j 。可见，发展高效低污染的清洁燃烧技术，是当前亟待解决的问题。 循环流化床( c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ，简称c f b ) 燃烧技术【2 】是近三十年来发 展起来的一种高效、低污染的新型清洁煤燃烧技术。因其具有煤种适应性广，能 有效燃烧包括劣质煤和固体垃圾在内的许多低热值燃料，同时与其它类型的锅炉 相比，还具有污染物排放量低、负荷调节性能好、灰渣易于综合利用等优点【3 ，4 】， 能够有效地缓解目前所面临的能源危机和环境问题，被广泛应用在电力、石油、 化工以及垃圾处理等领域，带来了巨大的经济、社会效益，并将为今后挖掘新能 源做出巨大贡献，具有重要的研究和发展价值。我国于2 0 世纪8 0 年代中期开始投 入力量积极从事循环流化床燃烧技术的研究开发，虽然起步较晚，但进步很快。 目前，2 2 0 t h 及以下容量的循环流化床锅炉己在国内大面积工业推广，实现了商 品化；4 1 0 t h 的循环流化床锅炉己开始投入商业运行【5 1 。 但是随着循环流化床锅炉的广泛应用，该锅炉在运行过程中也暴露出一些问 题。主要表现在磨损问题、结焦问题及对辅助设备要求高等，其中比较突出的是 循环流化床锅炉的磨损，尤其是锅炉“四管”( 水冷壁管、过热器管、再热器管、 省煤器管) 的磨损，影响了机组的正常运行【6 】。循环流化床锅炉受热面磨损所引 发的事故远远高于其它部件所引起的事故。正是因为循环流化床锅炉可以燃烧劣 质燃料，其含灰量高、飞灰粒子大且循环燃烧，使得烟气中飞灰浓度很高且速度 大，也就容易引起该炉型的受热管壁( 炉内受热面) 的高温磨损问题。该问题引起 的停炉维修造成了巨大的经济损失。据统计，一台7 5 t h 的锅炉，每小修一次需要 停炉1 0 , - 一1 4 天，每大修一次需要停炉2 0 - - 一3 0 天。每停炉一天，将少发电近3 0 万度， 若按每度电0 6 元计算，将造成直接经济损失18 万元天，而由于停电给工农业生 产带来的间接损失往往比直接损失还要大几十倍。 所以，必须采取一种有效的防护措施，来对循环流化床锅炉“四管”进行防护。 国内外用于保护锅炉管道的热喷涂技术主要有以下四种：火焰喷涂( f l a m e s p r a y i n g ) 、电弧喷涂( a r cs p r a y i n g ) 、等离子喷涂( p l a m s as p r a y i n g ) 及高速火焰喷 涂( h i g hv e l o c i t yo x y f u e ls p r a y i n g ) 。 北京工业大学工学硕士论文 英国很早就开始针对电站锅炉管道的腐蚀及冲蚀进行了喷涂工艺及材料的 研究，用等离子喷涂5 0 c r - 5 0 n i 作为受热面耐腐蚀防护涂层，等离子喷涂 a 1 2 0 3 , c r 3 c 2 和7 5c r 3 c 2 2 5 n i c r 作为抗飞灰冲蚀涂层。瑞典运用电弧和火焰丝材喷 涂相结合的技术在8 0 年代对锅炉水冷壁、过热器管道喷涂k a n t h a lm ( f e 2 2 c r 斜) 合金，具有较好的抗硫化和抗氧化性能【。7 1 。美 雪m e t a l s p r a y 公司在9 0 年代初用高速 火焰喷涂( h v o f ) 制备的d s 一3 0 0 ( 7 5c r 3 c 2 t i c 一2 5 n i c r m o a l ) ，d s - 1 2 8 ( w c 一1 7 c o ) ， d s 10 5 ( c r 3 c 2 j ，d s 2 0 0 ( 7 5c r 3 c 2 2 5 n i c r ) ，f e l 9 c r l 5 w 7 t i 6 n i 抗冲蚀氧化涂层【8 1 们， 用于电厂煤粉锅炉、循环流化床锅炉和垃圾焚烧锅炉炉管高温抗冲蚀磨损防护。 该公司又相继推出高速火焰电弧喷涂涂层新技术，且p c o m a r c 喷涂d u o c o r 涂层【1 1 】， 显著降低了涂层的孔隙率，改善抗炉灰冲蚀能力。近年来又推出一种双层涂层即 h v o f 喷涂c r c 2 6 9 ( c r 3 c 2 t i c 2 5 n i c r ) 涂层+ 燃气电弧喷涂n i 2 l c r 9 m 0 3 5 n b 涂层， 具有较高耐腐蚀冲蚀磨损的涂层。日本也采用超音速火焰喷涂c r s c 2 - n i c r 合金粉 制备高温耐磨蚀涂层，均取得了一定的效果，7 5 c r 3 c 2 2 5 n i c r 涂层【1 2 - 1 4 中，n i c r 作为 粘结相具有很好的抗高温氧化和耐热腐蚀的性能，c r 3 c 2 作为硬质相又有非常高 的抗高温磨损的性能，所以，这种涂层的抗高温磨损和高温腐蚀性能很好。高速火 焰喷涂与等离子喷涂获得涂层的结合强度高，孔隙率低，在国外已得到实际应用， 我国也有用等离子喷涂陶瓷粉末进行炉管防护的报道。但这两种喷涂方法设备较 昂贵，灵活性差，应用受到一定的限制。电弧喷涂技术的优点表现在涂层性能良好， 喷涂效率高，低成本和适宜现场大面积施工等。在实际喷涂时，由于环境相对恶劣， 电弧喷涂在较宽的喷涂条件范围内，也能获得可靠的涂层质量。因此，电弧喷涂技 术在锅炉防护涂层的制备上已经得到广泛的应用，具有其他喷涂方法难以替代的 优点。特别是近几年随着高速电弧喷涂枪以及专用于电弧喷涂的粉芯线材的出现， 进一步改善了涂层的组织和性能，使电弧喷涂技术得到更广泛的应用，具有广阔的 工程应用前景。 国内的研究人员针对我国国情，在c f b 锅炉防护技术方面也进行了许多尝试 和研究。自9 0 年代以来，逐渐找到了比较有效的技术手段，如电弧喷涂高铬镍丝材， 喷焊n i 6 0 ，高速电弧喷涂f e a i w c 1 5 , 1 6 】，等，但使用效果也不是很理想。喷焊n i 6 0 涂层虽具有较高的结合强度，但喷焊工艺的热影响区大，对大面积的水冷壁处理时 会引起较大变形；高速电弧喷涂f e a 1 w c 涂层在温度超过5 5 0 。c 时，w c 会发生氧 化脱碳，使涂层耐磨性能和高温稳定性大大降低；喷涂或涂刷耐磨涂料的方法虽简 单、快捷、适合现场操作，但涂料在高温下烧结形成了陶瓷体，与基体钢材的物性 有较大差异，因此涂层结合强度不高，北京有色金属研究总院研制的镍基高铬合 金涂层具有工作温度高，抗氧化、硫热腐蚀性能好的优点b 7 ，但是耐冲蚀磨损 性能较差。总体来说，国内用的防护涂层用于循环流化床锅炉“四管”防护上的综 合效果有待改进和提高。 第1 章绪论 1 1 2 课题研究意义 非晶合金不具有晶体结构，与传统材料相比具有结构致密、高硬度、高韧性、 耐腐蚀、耐磨损等优点【1 8 1 。近几十年来关于非晶合金形成、制备和应用等各方面 的理论知识得到了不断的发展，其中的f e 基非晶合金因原料相对成本较低和机械 性能好等优点已经成为非晶合金材料研究的一个重要分支。自从1 9 6 7 年第一个铁 基非晶合金f e - p c 的出现，相继产生了许多铁基非晶合金，但这一系列非晶合金 的非晶形成能力( g f a ) 较低，制备时均需要高于1 0 5 k s 的冷却速率。直至u 1 9 9 5 年，日本东京大学的i n o u e 研究小组在f e a 1 g a - p c b 合金系中成功制备了第一个 块体铁基非晶合金后，组分对g f a 强弱的影响得到了系统的研究，并在此基础上 研制出了一系列具有较高g f a 的f e 基非晶合金。随后，2 0 0 4 年p o o n 在 f e c r - m o c b 合金系的基础上添加y 和e r 成功制备了直径达到厘米级的铁基块 体非晶合金。但是，传统方法制备非晶合金仅限于粉末、带材和有限大小的块体， 而且制备条件的限制使其在工程中的应用受到了相当大的限制。近些年来，采用 热喷涂技术制备非晶结构涂层1 1 9 - 2 1 j 拓展了非晶合金的应用领域，其中由于电弧喷 涂具有设备简单、操作方便、可在施工现场进行大面积喷涂等优点，特别是采用 粉芯线材和电弧喷涂技术可以原位合成含非晶相涂层，已经成为当前的一个研究 热点【2 2 私1 ，制备的非晶结构涂层有望在耐磨损、耐腐蚀领域得到广泛应用。但是， 由于这方面的工作开展时间较短，利用粉芯线材和电弧喷涂技术制备非晶结构涂 层的研究还不够深入和系统，目前所制备的含非晶相涂层的性能也还不够理想， 尤其是非晶相的形成机理、形成能力、热稳定性，以及非晶相对涂层耐磨损、耐 腐蚀等性能的影响等都还有待进一步的深入研究。 1 2 非晶合金的制备与发展 1 2 1 非晶合金系的发展 1 9 6 0 年，美国科学家p d u w e z 及同事首先发现某些液态贵金属合金( 如金 硅合金a u 7 5 s i 2 5 ) 在冷却速度非常快( 1 0 5 - 1 0 6 k s ) 的情况下，当金属内部的原子来 不及“理顺”位置，仍处于无序紊乱状态时，便马上凝固了，成为非晶态金属。 这些非晶态金属具有类似玻璃的某些结构特征，故称为“金属玻璃”【2 5 。从此以后， 相继又发现了很多非晶合金系。与相应的晶体材料相比，非晶合金具有高强度、 高硬度、高延展性、良好的耐腐蚀性和软磁性能。铁基非晶合金是用作变压器铁 芯的理想材料【2 6 】。f e - c r - p c 也表现出优异的耐腐蚀性能可用作涂层材料 2 7 】。但 这些非晶合金由于受较快冷却速度( 1 0 5 k ，s ) 的制约，使得样品尺寸局限于低维的 薄带、丝和粉末而不能在实际中得到广泛应用。直至f j l 9 6 9 年，c h e n 和t u m b u l l 2 8 】 将熔融的合金直接滴落在金属a g 或c u 的基片上获得了厚度为l m m 的p d 基非晶合 金( p d c u s i ，p d a u s i ，p d a g s i ) ，制备了历史上第一个块状非晶合金。随后在 北京工业大学工学硕士论文 1 9 8 2 年，d r e h m a n ，g r e e r 和t u m b u n 报道了将合金铸锭在h c i 并d h 2 0 2 的混合物中 进行化学浸蚀以消除表面杂质后在真空下反复加热冷却，最后缓慢冷却获得直径 为5 3 m m 的p d - n i p 系块状非晶合金，样品中仅含有少于0 5 的晶体【2 9 1 。1 9 8 4 年 k u i ，g r e e r 和t u m b u l l 用低熔点氧化物b 2 0 3 对p d - n i p 合金熔体进行净化处理以抑 制异质形核，获得了厚度为1 0 m m 的块状非晶合金，这是当时报道的尺寸最大的 块状非晶合金【3 们。其中t u m b u l l 对非晶合金的发展做出了巨大的贡献，他提出的 t u m b u l l 准则【3 1 3 2 】对非晶合金设计起着举足轻重的作用。 块状非晶合金的发现使非晶合金样品在尺寸上实现了巨大突破。但p d 基块状