一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁基非晶纳米晶复合涂层及采用等离子堆焊法来制备该铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，将按特定比例配制后制备成合金粉末采用等离子堆焊机在基材表面堆焊成合金涂层，其中，各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；当等离子堆焊结束后待涂层自然冷却到室温即完成该铁基非晶纳米晶复合涂层的制备；该采用该等离子堆焊法制备的铁基非晶纳米晶复合涂层硬度高，耐磨损性能好，可广泛应用于冶金机械、石油化工设备的制造和修复；此外，该等离子堆焊方法制备涂层的工艺简单，操作简便易行，无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后涂层无裂纹、剥落，涂层成形良好。

【技术实现步骤摘要】
一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法
本专利技术属于涂层材料
，特别涉及一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法。
技术介绍
断裂、腐蚀和磨损是金属材料失效的三种主要方式，其中最严重的损失在于材料的磨损，占总消耗量的50％左右。各类磨损、腐蚀所引起的失效往往发生于材料及其构件的表面，为了防止一些在高速、高温、高压、重载、腐蚀介质等条件下工作的零件因其表面局部损坏而使整个零件报废，为提高零件的可靠性，延长使用寿命，研究人员开发了大批实用、先进、高效的表面工程技术修复或强化零件表面，制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。近年来，随着非晶合金的发现以及对其研究的深入，非晶合金的高抗腐蚀性、高强度、高硬度和高抗磨损性让人们在提高材料耐磨耐腐蚀性能上产生了一种新的思路。由于非晶合金涂层相对较易实现，人们相继开发出了热喷涂、激光熔覆、化学镀等一系列非晶涂层制备方法。但是这些方法制备的非晶涂层与基体的结合强度较弱、涂层厚度太薄，从而在一定程度上限制了它的发展和应用。目前国内外专利报道的非晶涂层制备方法更多的在于热喷涂、激光熔覆等方法制备的薄涂层，而堆焊方法由于过程中冷却速度较低，得到非晶涂层的难度相对较大，使得在这方面的专利报道较少。CN103128421B报道了“一种铁基非晶/纳米晶复合涂层的制备方法”，采用手工电弧焊的方法制备出一种铁基非晶/纳米晶复合涂层。与手工电弧焊相比，等离子堆焊不仅堆焊效率高、堆焊质量好，而且操作方便、安全。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硬度高，耐磨性能好，抗裂纹性能好的铁基非晶纳米晶复合涂层。本专利技术另一目的是提供一种简单、可靠、安全、低成本的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种铁基非晶纳米晶复合涂层及其制备方法，通过等离子堆焊法制备而成。该方法可以很容易的制备厚度达几个毫米的堆焊层，并且该方法为冶金结合工艺，相对于现有铁基非晶纳米晶涂层的热喷涂法，即机械结合方法，等离子堆焊方法使得堆焊涂层与基材结合的更为牢固。所述等离子堆焊法包括下述具体步骤：(1)将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按比例配制成原料并制备成粒度为100～300μm的合金粉末；(2)对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗；(3)采用等离子堆焊机，将经步骤(1)制备好的合金粉末堆焊成合金涂层，其中，等离子堆焊机的各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；其中，铁基非晶纳米晶复合涂层的堆焊涂层厚度按实际要求进行控制。(4)等离子堆焊结束后，将等离子堆焊涂层和基材在空气中自然冷却到室温即完成该铁基非晶纳米晶复合涂层的制备。优选地，所述步骤(1)中所述合金粉末采用真空气雾法制备而成：将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按比例配制后置于真空感应炉中熔化、精炼，然后将熔融的金属液体倒入保温坩埚中并进入雾化炉中，经高压气体流雾化并在雾化塔中凝固、沉降，落入收粉罐中得到。其中，上述合金粉末除了可以采用现有技术中将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，经熔化后采用水雾化或者气雾化的方法雾化成粉末的方法进行制备；也可以采用将纯金属或者合金以粉末或块体配制成所需比例原料，熔化后凝固、粉碎，即采用物理方法制备粉末；或者采用本领域技术人员惯用的其他方法制备。优选地，所述步骤(1)中按照比例配制的合金粉末的成分为：Fe70.89Ni1.37Cu1.34Nb3.1B18.77C2.75Si1.01Mn0.77，其中，各数值为原子百分数。在该铁基非晶合金粉末的组成成分中，B、C都是类金属元素，除可以降低非晶合金的临界冷却速率外，主要作用是形成非晶合金，而且B、C是重要的耐磨相形成元素；Si、Mn具有联合脱氧和固溶强化作用，可以降低熔点，提高熔融金属流动性，提高非晶形成能力；Nb是强碳化物形成元素；Ni、Cu可以促使各组分的融合更加充分，提高涂层韧性。其中，所述合金粉末也可以根据上述比例进行调节，并与所述堆焊工艺配合，形成性能良好的铁基非晶纳米晶复合涂层。优选地，在所述步骤(2)中，所述基材为35CrMo钢；所述基材表面氧化物的去除采用车削或打磨的方法；所述基材表面清洗采用金属洗净剂、热碱液或有机溶剂进行表面清洗。一种采用上述的铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法在基材上形成的铁基非晶涂层。与现有技术相比，采用该等离子堆焊法制备的铁基堆焊涂层是一种非晶纳米晶复合涂层，具有高的非晶含量、高的洛氏硬度，耐磨粒磨损性能远好于35CrMo钢，可广泛应用于冶金机械、矿山机械、动力机械、石油、化工设备，建筑运输设备以及工具、模具的制造和修复；此外，该等离子堆焊方法制备涂层的工艺简单，操作简便易行，无需焊前预热、焊后缓冷，堆焊后涂层无裂纹，并且焊接过程中飞溅小，涂层无剥落，涂层成形良好；其中合金制备可以采用铁合金替代纯金属组元的方法，降低了成本，适用于工业化生产。附图说明图1是本专利技术铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的X射线衍射图；图2是本专利技术铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1的透射电镜图；图3是本专利技术铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的洛氏硬度对比图；图4是本专利技术铁基非晶纳米晶复合涂层的实施例1和实施例2为不同厚度涂层时的耐磨性能对比图。具体实施方式下面结合具体实施方式对本专利技术的上述
技术实现思路
作进一步的详细描述。但不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于下述实施例。在不脱离本专利技术上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本专利技术的范围内。实施例1(1)制备等离子堆焊所用合金粉末：将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按成分为Fe70.89Ni1.37Cu1.34Nb3.1B18.77C2.75Si1.01Mn0.77，(原子百分数，at％)进行原料配置，将配制好的金属原料在真空感应炉中熔化、精炼后，熔化的金属液体倒入保温坩埚中，并进入导流管和喷嘴，此时熔体流被高压气体流所雾化。雾化后的金属粉末在雾化塔中进行凝固、沉降，落入收粉罐中；(2)选用35CrMo钢作为基材，并在进行等离子堆焊前对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗，其中，去除氧化物采用打磨法，直至露出金属光泽；表面清洗则依次采用金属洗净剂、酒精和丙酮进行清洗；(3)使用型号为Lu-D500-F600/B800-CNC型数控等离子堆焊机对基材表面进行等离子堆焊：工艺参数设定如下：焊接电压26V，焊接电流180A，焊接速度40mm/min，保护气流速度为10L/min，送粉速度为20g/min，摆动幅度为26mm；(4)等离子堆焊结束后，将等离子堆焊的涂层和基材在空气中自然冷却。实施例2步骤(1)、步骤(2)和步骤(4)均与实施例1相同，仅调整步骤(3)中等离子堆焊的工本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，其特征在于，所述铁基非晶纳米晶复合涂层通过等离子堆焊法制备而成。

【技术特征摘要】
1.一种铁基非晶纳米晶复合涂层的制备方法，所述铁基非晶纳米晶复合涂层通过等离子堆焊法制备而成，其特征在于，包括下述具体步骤：(1)将工业上使用的纯金属Fe、Cu、Si、Mn和工业上用的Fe-Ni、Fe-Nb、Fe-B、Fe-C合金按比例配制成原料并制备成粒度为100～300μm的合金粉末；其中，合金粉末的成分为：Fe70.89Ni1.37Cu1.34Nb3.1B18.77C2.75Si1.01Mn0.77，各数值为原子百分数；(2)对基材表面依次进行氧化物去除和表面清洗；(3)采用等离子堆焊机将经步骤(1)制备好的合金粉末堆焊成合金涂层，其中，各项工艺参数为：焊接电压为25～30V、焊接电流为140～190A、焊接速度为35～40mm/min、保护气流速度为10～12L/min，送粉速度为15～25g/min，摆动幅度为20～30mm；(4)等离子堆焊结束后，将基材和覆于基材上的铁基非晶纳米晶复合涂层在空气中自然冷却到室温，即完成该铁基非晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：李峰伟，杜平，王益山，魏刚，向东，张会权，檀惊涛，贾军，周文华，左运峰，
申请(专利权)人：中国石油集团渤海钻探工程有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12