Fe-Al-Nb合金涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Fe-Al-Nb合金涂层，Fe-Al-Nb合金涂层分为基体层、沉积层和扩散层三部分；所述基体层为普通碳钢材料；所述沉积层由Nb99.5wt％，其余由AlNb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al组成；所述扩散层由Al25wt％～34wt％、Fe65wt％～73wt％和Nb1.0wt％～2.0wt％组成。所述Fe-Al-Nb合金涂层的厚度为150～200μm。所述普通碳钢材料为45钢或Q235。本发明专利技术不仅进一步提高了Fe-Al基涂层的强度、抗高温腐蚀性能，而且提高了Fe-Al基涂层的韧性，有效降低了其室温脆性。

【技术实现步骤摘要】
Fe-A 1-Nb合金涂层及其制备方法
本专利技术涉及金属材料表面改性
，具体涉及一种。
技术介绍
Fe-Al金属间化合物是目前研究比较深入的金属间化合物之一，其比强度高、耐蚀性优异，同时具有资源丰富、成本低廉等优势。但由于其自身结合键的性质、晶体结构、缺陷敏感度、有序度及环境等因素导致Fe-Al合金涂层的塑韧性和600°C以上的高温综合性能还不能满足高温、热腐蚀和磨损共存的苛刻服役环境的要求，严重制约了 Fe-Al合金涂层大量投入工业化应用。 邓文等在研究Nb对Fe3Al合金基体与缺陷处价电子密度的影响时，测量了含Nb的Fe3Al合金的正电子寿命谱参数。试验结果表明，Nb的加入降低了合金中的有序度，提高了晶界缺陷处价电子密度，金属间结合力增强，但由于Nb的原子半径比Fe大，它置换Fe后使晶格发生畸变，体积增大，导致合金基体的价电子密度降低，基体的金属键结合力减弱，有益于韧性的提高。尹衍生等在Fe3Al中同时加入少量Nb元素，改善了合金的高温蠕变寿命。另外，已有研究表明Nb是提高Fe-Al合金组织稳定性、高温强度和耐高温腐蚀性能的重要合金元素。 目前缺乏一种强度高、韧性好、高温综合性能优异的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种强度高、韧性好、高温综合性能优异的。 为了实现上述目的，本专利技术通过如下技术方案实现:一种Fe-Al-Nb合金涂层，Fe-Al-Nb合金涂层分为基体层、沉积层和扩散层三部分； 所述基体层为普通碳钢材料； 所述沉积层由Nb99.5wt%,其余由 AlNb2、Fe7Nb6、Fe2Al5 和 Fe3Al 组成； 所述扩散层由A125wt%?34wt%、Fe65wt%?73wt%和 Nbl.0wt%?2.0wt%组成。 进一步地，所述Fe-Al-Nb合金涂层的厚度为150?200 μ m。 进一步地，所述普通碳钢材料为45钢或Q235。 更进一步地，所述扩散层内，Al的重量百分比由表及里逐渐降低。 本专利技术所述的Fe-Al-Nb合金涂层的制备方法，包括如下步骤: (I)清洗:准备普通碳钢材料，并对其进行除油、除锈和超声清洗处理； (2)助镀:将普通碳钢材料置于温度为70?80°C的助镀剂中，10?15min后取出试样并迅速将试样表面吹干； (3)熔铝:将工业纯铝锭加入石墨坩埚中加热至750?800°C呈液体，然后除去覆盖在铝液表面上的氧化物后将覆盖剂均匀撒在铝液表面； (4)热浸镀铝:将普通碳钢材料快速浸没在熔融铝液中，浸镀时间为130s?150s后，缓慢勾速取出试样，空冷； (5)真空扩散退火:将热浸镀后的材料放入真空气氛炉中进行真空扩散退火处理，退火温度为850?900°C，退火时间为5?6h，之后随炉冷却； (6)双辉改性预处理:将制备好的Fe-Al涂层材料在砂纸上进行研磨，并在该过程中使用金相显微镜进行实时观察，直至除去材料外表面分布有密集的孔洞，之后进行抛光并在蒸馏水中超声清洗； (7)预热、活化处理:将靶材和普通碳钢材料置于炉膛内，调整靶材与普通碳钢材料之间的距离为15mm?20mm,炉膛内抽真空至气压为O?2Pa,通入IS气至气压为30?40Pa，将普通碳钢材料的电压缓慢升至100V?150V，靶材的电压缓慢升至150V?200V，处理时间为15?20min，对靶材和普通碳钢材料进行清洗、活化； (8)双辉渗Nb改性:将炉膛内的气压调节为35Pa?45Pa，靶材的电压调整至800V?900V，普通碳钢材料的电压调整至350V?450V，普通碳钢材料的温度升至900°C?1000°C，保温时间为3?5h，制备出Fe-Al-Nb合金涂层。 进一步地，所述步骤(6)中，所述砂纸为不小于1000目。 进一步地，所述步骤⑵中，所述助镀剂由KBF42.25wt %?2.75wt %、A1F32.25wt%~ 2.75wt%, ReCl30.05wt%?0.lwt%、其余为 H2O 组成。 更进一步地,所述步骤(3)中，所述覆盖剂由KC145wt %?50wt % >NaFl2.5wt %?15.5wt%, CeCl0.1wt0.2wt%、其余为 NaCl 组成。 进一步地，在步骤(7)中，所述靶材为Nb，所述Nb的纯度为不小于99.99%。 有益效果:与采用高速电弧喷涂、等离子喷涂技术等制备的Fe-Al涂层相比较，采用本专利技术的热浸镀铝表面覆盖技术与双层辉光等离子表面渗Nb改性技术相结合制备的Fe-Al-Nb合金涂层，不仅进一步提高了 Fe-Al基涂层的强度、抗高温腐蚀性能，而且提高了Fe-Al基涂层的韧性，有效降低了其室温脆性。 本专利技术具有如下优点: (I)在普通钢材表面制备出Fe-Al-Nb合金涂层，既充分发挥Fe-Al-Nb金属间化合物的性能优势，又避开了它在加工性能方面的劣势，解决了涂层在复杂工况条件下开裂甚至剥落的难题，同时又节约了稀有金属元素Nb，为Fe-Al基金属间化合物的实用化进程提供新的技术路径。 (2)热浸镀铝表面覆盖技术可制备出较厚的Fe-Al涂层；双层辉光等离子表面改性技术，通过氩离子和中性粒子轰击靶材和普通碳钢材料，将元素Nb输运至普通碳钢材料表面并促进Fe、Al、Nb三种元素的快速扩散，在短时间内形成与基体呈冶金结合的Fe-Al-Nb合金涂层。 (3)该涂层厚度为150?200 μ m,比单纯使用双层辉光等离子表面冶金技术制备的涂层更厚。在沉积层主要为纯Nb，同时在其表面还存在有AlNb2、Fe7Nb6, Fe2Al5和Fe3Al等硬质合金相；在扩散层内，Al的浓度由表层的25wt%?34wt%及里呈梯度缓慢降低，Fe的浓度稳定在65wt%? 73wt%之间，形成Fe3Al、FeAl等韧性相，Nb的浓度在1.0wt%?2.0wt %之间，形成第二相弥散分布在涂层中。该涂层硬度为11?13GPa、弹性模量为450?500GPa,表现出优良的韧性。 [0031 ] (4) Fe-Al-Nb合金涂层截面显微维氏硬度850?900HV0.1，比Fe-Al涂层高50?100HV0.1，是45钢、Q235钢的3.5?4.5倍、4.5?5.0倍；纳米压痕分析中Fe-Al-Nb合金涂层硬度为11?13GPa、弹性模量为450?500GPa，与Fe-Al涂层的硬度相当、是其弹性模量的2倍左右，是45钢硬度的3倍左右、是其弹性模量的2.5倍左右，表现出优良的韧性。在600°C、700°C的条件下恒温氧化试验10h后，Fe-Al合金涂层表面均出现了大量分散的孔洞，700°C时局部区域腐蚀严重，而Fe-Al-Nb合金涂层表面平整无起皱现象，颗粒之间连接紧密，表新出优良的抗高温氧化性能，起到了在高温条件下服役时保护基体的作用。 【附图说明】 图1是实施例1中所得Fe-Al-Nb合金涂层表面放大倍数为400倍的SEM图； 图2是实施例1中所得Fe-Al-Nb合金涂层表面放大倍数为10000倍的SEM图； 图3是实施例1中所得Fe-Al-Nb合金涂层截面BSEI图； 图4是实施例1中所得Fe-Al-Nb合金涂层表面XRD图谱； 图5是实施例1中所得Fe-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe‑Al‑Nb合金涂层，其特征在于：Fe‑Al‑Nb合金涂层分为基体层、沉积层和扩散层三部分；所述基体层为普通碳钢材料；所述沉积层由Nb99.5wt％，其余由AlNb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al组成；所述扩散层由Al25wt％～34wt％、Fe65wt％～73wt％和Nb1.0wt％～2.0wt％组成。

【技术特征摘要】
1.一种Fe-Al-Nb合金涂层，其特征在于=Fe-Al-Nb合金涂层分为基体层、沉积层和扩散层三部分； 所述基体层为普通碳钢材料； 所述沉积层由Nb99.5wt%,其余由AlNb2、Fe7Nb6、Fe2Al5和Fe3Al组成； 所述扩散层由 A125wt%~34wt%、Fe65wt%~73wt%和 Nbl.0wt%~2.0wt%组成。2.根据权利要求1所述的Fe-Al-Nb合金涂层，其特征在于:所述Fe-Al-Nb合金涂层的厚度为150~200 μ m。3.根据权利要求1所述的Fe-Al-Nb合金涂层，其特征在于:所述普通碳钢材料为45钢或 Q235。4.根据权利要求1所述的Fe-Al-Nb合金涂层，其特征在于:所述扩散层内，Al的重量百分比由表及里逐渐降低。5.制备权利要求1-4任一项所述的Fe-Al-Nb合金涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)清洗:准备普通碳钢材料，并对其进行除油、除锈和超声清洗处理； (2)助镀:将普通碳钢材料置于温度为70~80°C的助镀剂中，10~15min后取出试样并迅速将试样表面吹 干； (3)熔铝:将工业纯铝锭加入石墨坩埚中加热至750~800°C呈液体，然后除去覆盖在铝液表面上的氧化物后将覆盖剂均匀撒在铝液表面； (4)热浸镀铝:将普通碳钢材料快速浸没在熔融铝液中，浸镀时间为130s~150s后，缓慢勾速取出试样，空冷； (5)真空扩散退火:将热浸镀后的材料放入真空气氛炉中进行真空扩散退火处理，退火温度为850~900°C，退火时间为5~6h，之后随炉冷却； (6)双辉改性预处理:将制备好的Fe-Al涂层材料在砂纸上进行研磨，并在该过程中使用金...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚正军，张泽磊，罗西希，张平则，陈煜，杨红勤，吴小凤，林玉划，徐尚君，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32