表面工程学大作业

非晶纳米涂层具有优良的耐磨耐蚀性能 是最佳的耐磨耐蚀候 选材料 试采用 表面工程 所学知识在钢表面制备非晶纳米涂层 要求 1 涂层具有高硬度 HV2000 以上 孔隙率低 厚度均匀 2 涂层与基体必须是冶金结合 3 涂层必须耐酸耐碱的腐蚀 小组成员 金科进 游圣伟 吴智 摘要 摘要 利用先进的 AC HVAF 喷涂技术制备 Fe 基非晶纳米涂层 涂 层主要由 FeNi3 Fe2B 和 Ni4B3 相组成 涂层与基体 0Cr13Ni5Mo 不锈钢冶金结合很好 涂层孔隙率低 涂层厚度均匀 硬度最高可 达 2000HV 涂层具有优异的耐磨耐腐蚀性能 前言前言 非晶态合金因其成分均匀 不存在晶体缺陷 如位错 晶界和成 分偏析等 具有独特而优异的性能 如较高的强度 硬度和优良的 耐磨耐蚀性能 纳米材料从根本上改变了材料的结构 使涂层具有 很高的硬度和很好的耐磨性能 非晶纳米晶涂层因具有非晶材料的 高耐蚀性 同时又具有纳米材料优良的抗耐磨性的特点 相对于传 统材料具有更为独特而优异的性能 是很有发展前途的新型材料 其基本的原理是利用纳米化技术提高材料耐磨性能 非晶化技术提 高材料耐蚀性能的特点 将纳米化技术与非晶化技术相结合 用于 制备耐蚀耐磨综合性能优异的非晶纳米晶复合涂层 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 采用超音速火焰喷涂 法制备的 Fe 基非晶纳米涂层 与常规的涂层相比 硬度可以由 HV1200 左右提高到 HV2000 左右 耐磨性能和耐蚀性能都有比较大 的提高 超音速火焰喷涂 HVOF 是继等离子喷涂之后的又一发明 1981 年美国的 I A Borwing 发明了 HVOF 技术 该技术通过提高粒子速 度 使之达到超音速 从而具有较高的动能 轰击基材时冲击动能 变为热能 同时使颗粒产生充分的形变 得到致密的涂层 沉积粒 子间孔隙率小 高速和相对较低的温度是超音速火焰喷涂热喷工艺 方法的 2 个主要特征 超音速火焰喷涂主要贡献在于其大幅度地提 高了热喷涂涂层的结合强度 密度和硬度 并且同时减小甚至消除 了涂层中的氧化物质量分数 将几种火焰喷涂列表比较 如下表 1 由表可知 在常规的热喷涂方法中 超音速火焰喷涂火焰温度最低 粒子速度最高 结合强度较高 孔隙率最低 喷涂方法耐磨性能的 排列是 HVOF 及爆炸喷涂 等离子喷涂 喷焊 电弧喷涂 火焰喷涂 结合以上分析 采用超音速火焰喷涂方法来制备涂 层可以达到大幅度提高基材表面的使用性能 节约原材料的目的 表 1 主要热喷涂方法比较 活性燃烧高速燃气喷涂技术活性燃烧高速燃气喷涂技术 继 HVOF 之后 美国和日本又相继研究了燃气与空气混合燃烧的 高速火焰喷涂系统 简称 AC HVAF 目的是进一步降低喷涂过程 中粉末材料的氧化以及氧气的消耗 但当时的 AC HVAF 系统因粉 末沉积率低以及存在安全方面的隐患而并未收到预期的效果 2001 年在前苏联科学研究成果的基础上 美国 TSR Unique Coat 公司研 制成功 AC HVAF Activated Combustion High Velocity Air Fuel Spraying 高速火焰喷涂系统 使 AC HVAF 喷涂技术以全新的 面貌显示出其独特的涂层和工艺特点 图 1 为美国 Unique Coat 公司 生产的 INTELLI JET AC HVAF 热喷涂系统 它是介于传统超音速 火焰喷涂和冷喷涂之间的新喷涂工艺 可以称为热动能喷涂 其特 点是通过压缩空气与燃料燃烧产生高速气流加热粉末 但并未使之 完全熔化 同时将粉末加速至 700m s 以上撞击基体 形成极低氧化 物含量和极高致密度的涂层 这种喷涂工艺过程对喷涂材料的热退 化影响非常低 制备的涂层表现出卓越的耐磨损及耐腐蚀特性 另 一个突出的特点是生产效率高 其喷涂速率是传统超音速火焰喷涂 的 5 10 倍 沉积效率也优于传统超音速火焰喷涂 图 1 INTELLI JET AC HVAF 热喷涂系统 由于活性燃烧高速燃气火焰喷涂 通过将粉末加热但未完全熔化的 方法 来沉积金属和合金涂层 粉末粒子的表面温度比所用喷涂材 料的熔点低 200 250 这主要是使用燃烧温度相对较低的丙烷燃 料的结果 由于热动能喷涂过程中喷涂粒子并没有完全熔化 并且 其粒子速度极高 喷涂粒子在 AC HVAF 焰流中的停留时间短 喷 涂材料在喷涂过程中的氧化反应受到了抑制 使涂层中的氧化物含 量非常低 由于喷涂粒子的冲击速度极高 在金属基材上 工艺涂 层可达到极高的结合强度 在碳钢上 碳化物金属陶瓷涂层的结合 强度超过 70 84MPa 金属涂层的结合强度在 47 84MPa 之间 以下 为 AC HVAF 涂层结合强度方面的两个特性 充分体现了涂层优越 的力学性能 1 涂层的结合强度几乎不随其厚度的增加而变化 这说明涂层的残 余应力极低 2 对铝 镁 钛类基材而言 由于这些材料非常活泼 表面极易形 成氧化物保护膜 阻止其得到较好结合强度的热喷涂涂层 但是利 用 AC HVAF 工艺制备的涂层却表现出很高的结合强度 这是由于 AC HVAF 工艺中喷涂粒子具有极高速度 并且未完全熔化 这样 就可以使这些高速固态粒子冲破这些材料的表面氧化薄层而嵌入到 基材中 从而形成结合强度很高的涂层 此外涂层还具有极高的致 密度 并且提高了涂层的抗腐蚀和抗冲蚀能力 AC HVAF 工艺所 有这些特点使热动能喷涂在很大程度上降低了涂层的加工成本 更 有利于热喷涂技术的推广应用 优异的性能使其在航空航天 电力 冶金 造纸 纺织 石油化工 食品 印刷等领域具有很好的应用 前景 因此 采用 AC HVAF 是基材与涂层有效的进行冶金结合 喷涂粉末和涂层制备喷涂粉末和涂层制备 采用自制含有 Fe Cr Ni W Mo Si B 等元素的喷涂粉末 该 合金粉末用惰性气体雾化方法生产 粉末呈圆球形或类球形 表面 非常光滑 而且粉末内部颗粒均实心 具有非常好的流动性 粉末 粒度为 45 m 左右 具有化学成分如表 2 所示 基材预处理基材预处理 基材为 0Cr13Ni5Mo 不锈钢 喷涂前对基材表面进行除锈 除油 等清洁处理 喷涂前进行喷砂粗化处理 再对不喷涂部位进行保护 热喷涂热喷涂 喷涂粉末和涂层制备 采用超音速新技术 活性燃料高速燃气 AC HVAF 喷涂技术制备 涂层 其工艺参数分别见表 2 表 2 Fe 基粉末成分 元素CrNiSiBWMoCoCFe 含量 w 15155 82 72610 5余量 表 3 AC HVAF 工艺参数 空气压力 MPa 一级燃烧 MPa 二级燃烧 MPa 喷涂距离 mm 送粉速度 g min 0 5950 4550 24515024 基材后处理 基材后处理 对基材进行表面精加工 为提高表面硬度进行渗硼处理硬度可达 2000HV 进行渗氮 渗铝 渗硅 渗铬处理可耐酸耐碱耐腐蚀 最 后改善涂层质量 总结总结 Fe 基非晶纳米涂层的质量及影响因素基非晶纳米涂层的质量及影响因素 非晶纳米涂层质量一般是通过测量气孔率 粘着力 杨氏模量 残余应力以及在线跟踪某些参数的几种方法来进行表征 据文献报 导及本课题组相关研究成果 可知 Fe 基非晶涂层的形貌及性能有以下几点 1 涂层呈层状结构 整个涂层结构分布均匀 平整光滑 致密度 高 2 涂层孔隙率小 偶尔伴随未熔化的粉末颗粒等现象 3 涂层表面残余应力大及抗高温性能差 限制了其更为广泛的应 用 4 涂层硬度高 耐磨性能好 摩损率较低 与基体有效的冶金 结合 5 涂层具有好的耐腐蚀性能与良好的磁场屏蔽性能 参考文献 1 肖华星 陈光 喇培清 铁基大块非晶合金的摩擦磨损性能研究 J 摩擦学学报 2006 26 2 140 141 466 2 张志焜 崔作林 纳米技术与纳米材料 M 北京 国防工业出版社 2000 3 师昌绪 徐滨士 张平 等 21 世纪表面工程的发展趋势 J 中国 表面工程 2001 14 1 2 4 潘纪岗 樊自拴 孙冬柏 等 等离子喷涂钼基非晶纳米晶复合 涂层的组织和电化学特性 J 北京科技大学学报 2005 27 4 453 457 5 潘继岗 樊自拴 孙冬柏 等 采用两种喷涂技术制备铁基合金 涂层的摩擦磨损特性研究 J 摩擦学学报 2005 25 5