一种具有优异耐蚀性能的Cr‑Fe‑Ni基块体非晶合金及其制备方法技术

一种具有优异耐蚀性能的Cr‑Fe‑Ni基块体非晶合金及其制备方法，属于新材料及其制备技术领域。该非晶合金的成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20‑45%，b为20‑35%，c为15‑30%，d为1‑15%，e为10‑15%，f为2‑5%，g为2‑5%，h为0‑6%。合金具有高的非晶形成能力，可形成直径为1‑3 mm的非晶棒材或粒径为65μm的非晶粉末。该非晶合金还兼具低玻璃转变温度（‑449℃）、宽过冷液相区间（‑65℃）、高强度（‑3740MPa）、高硬度（‑1047HV）和优异的耐蚀性能，适用于热喷涂制作耐磨、耐腐蚀涂层等应用领域。

Having an excellent corrosion resistance of Cr Fe Ni based bulk amorphous alloy and preparation method thereof

Having an excellent corrosion resistance of Cr Fe Ni based bulk amorphous alloy and preparation method thereof, belonging to the technical field of new material and its preparation. The expression of components of the amorphous alloy is CraFebNicModPeCfBgSih, the atomic percentage of each element of the A is 20 45%, B was 20 35%, C was 15 30%, D was 1 15%, e was 10 15%, f was 2 5%, g was 2 5%, h 0 6%. The alloy has high amorphous formation ability, can form a diameter of 1 amorphous powder 3 mm amorphous rods or particle size of 65 M. The amorphous alloy has low glass transition temperature (449 C) and a wide supercooled liquid region (65 C), high strength (3740MPa) (1047HV), high hardness and excellent corrosion resistance, suitable for the production of thermal spraying wear-resistant and corrosion-resistant coating applications.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金及其制备方法，属于新材料及其制备

技术介绍
非晶合金（又称金属玻璃）因其独特的原子长程无序排列结构，不存在晶界、位错等晶体学缺陷，具有高强度和硬度、良好耐磨性和远优于对应晶态合金的耐腐蚀性等优点。特别是非晶合金在其过冷液相区内呈现粘性流动特性，可实现超塑性加工成形。非晶合金既可以作为块体结构材料或功能材料，也可以以粉体或涂层材料的形式加以应用。质子交换膜燃料电池（PEMFC）内部的双极板长期在高温的酸性及富氧环境下工作，须满足易加工成型、耐腐蚀、高强度等要求。传统的石墨双极板耐蚀性好，但脆性大，流场加工困难。金属双极板优异的机械加工性能弥补了石墨双极板的缺陷，但耐蚀性较差。具有高强度、高耐蚀性和良好超塑性加工性的非晶合金有望成为新一代的双极板表面涂层材料。适合于热喷涂等工艺的燃料电池用双极板非晶涂层材料要求同时具备低的玻璃转变温度（Tg），大的过冷液相区间（ΔTx，结晶化温度Tx与Tg的差值），良好的非晶形成能力，优异的力学性能和耐蚀性能。低的Tg意味着更低的加工温度，通过减少燃料消耗和设备老化来降低生产成本。大的ΔTx表示可以在过冷液相区内得到更低的粘度，有助于形成更致密的非晶涂层。目前，已有Ni基Ni-Cr-P-B非晶合金用于PEMFC双极板的表面涂层材料，其耐蚀性明显优于SUS316L不锈钢，且改性后的双极板的发电性能可以与传统的石墨双极板媲美[Kimetal,JJapInstMet,75(2011):122]。但Ni基非晶原料价格较高，阻碍了其大规模应用。Fe基非晶合金具有与Ni基非晶合金相似的力学性能和热性能，但Fe元素的价格远低于Ni元素。如能够克服Fe基非晶稍逊于Ni基非晶的耐蚀性能，并同时满足低Tg、大ΔTx和高非晶形成能力，Fe基非晶合金有望成为PEMFC双极板涂层材料，且成本低廉，有利于商业推广。人们为提高Fe基非晶合金的耐蚀性能，通常加入Cr、Mo等元素，发展Fe-Cr系非晶合金。Cr、Mo元素的加入可促使在非晶合金表面迅速形成均匀致密的钝化膜，从而大大提高合金的耐蚀性能。日本专利JPS58113354公开了含P、C或P、Si的Fe-Cr-Mo系非晶合金，该合金在80℃的高浓度盐酸中显示良好的耐蚀性能。但该专利公开的合金的非晶形成能力有限，仅能形成条带或薄片状非晶，不能形成块体非晶样品。日本专利JP3805601公开了一种Fe-Cr系块体非晶合金，该合金的非晶形成能力有所提高，如Fe42Cr16Mo16C18B8（原子百分比，以下相同）合金可形成直径为1.2mm的非晶棒材，并显示出较好的耐蚀性能。中国专利CN103834878B公开了一种含Cr的非晶合金。该合金中通过添加Co、Y和/或La等稀土元素，显著提高了Fe-Cr系合金的非晶形成能力，如Fe26Cr30Co7Mo14C15B6Y2合金可形成直径为8mm的非晶棒材，且耐蚀性能优异。美国专利US8524053(B2)公开的Fe48Cr15Mo14C15B6Y2非晶合金（SAM1651）的临界直径为9mm。但上述Fe-Cr系块体非晶合金中均含有较高的C元素（≥15at%）和Mo元素（≥14at%）。过高的C元素会使合金脆性增加，C发生富集也会加快材料的腐蚀。合金中的Mo元素和Y等稀土元素会增加原料成本和熔炼成本，且稀土元素活性高，易氧化，对合金耐蚀性能也会产生不利影响。中国专利CN104388842A中公开了一种Fe-Cr-B系块体非晶合金。该合金中无C和稀土元素存在，通过加入Zr等元素提高非晶形成能力，如Fe43Cr35Mo2Zr8B12可形成直径为1mm的非晶合金棒材。从热性能方面，上述几个专利中公开的Fe-Cr系块体非晶合金的Tg较高（≥610℃），或存在ΔTx较小的不足。过高的Tg使其通过热喷涂工艺制作涂层的制作成本增加，而ΔTx过小，非晶合金在过冷液相区内粘度小，除影响热喷涂温度、时间等工艺参数外，还会影响涂层的致密度，降低涂层质量。因此，开发一种在具有高非晶形成能力、优异耐蚀性和高强度的同时，兼具低的Tg和大ΔTx，并且原料成本相对低廉的适用于热喷涂工艺制备涂层材料的非晶合金具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有期待用于涂层材料的Fe-Cr基非晶合金的不足，提供了一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金及其制备方法。该块体非晶合金兼具高非晶形成能力、低玻璃转变温度、宽过冷液相区间、高强度、高硬度和优异的耐蚀性能。本专利技术的技术方案是：一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金，所述非晶合金成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20-45%，b为20-35%，c为15-30%，d为1-15%，e为10-15%，f为2-5%，g为2-5%，h为0-6%，且a+b+c+d+e+f+g+h=100%；合金通过铜模铸造获得直径为1-3mm的非晶合金棒材，或通过原子气雾化法获得粒径为65μm的非晶合金粉末；非晶合金的玻璃转变温度为449-520℃，过冷液相区间为46-65℃，断裂强度为3346-3740MPa，显微硬度为960-1047，在室温及80℃的1N硫酸和1N盐酸溶液中的耐蚀性优于SUS316L不锈钢。另一种非晶合金成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20-35%，b为20-35%，c为15-30%，d为5-15%，e为10-12%，f为4-5%，g为4-5%，h为0-6%，且a+b+c+d+e+f+g+h=100%。又一种非晶合金成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20-45%，b为20-35%，c为15-30%，d为1-15%，e为10-15%，f为2-5%，g为2-5%，h为2-4%，且a+b+c+d+e+f+g+h=100%。为提高合金的耐蚀性能，需保证合金中含有足够多的Cr元素，但过多的Cr元素存在会降低合金的非晶形成能力，不能获得块体非晶合金，通过大量实验，本专利技术确定Cr元素的含量为20-45at%，优选20-35at%。Mo和Ni元素也是提高合金耐蚀性能的有效元素，但过多Mo和/或Ni的存在会降低合金非晶形成能力，同时增加合金的原料成本，本专利技术确定Mo元素的含量为1-15at%，优选5-15at%；Ni含量为15-30at.%。P、C和B元素是形成Fe-Cr系块体非晶合金不可缺少的元素，适量P、C和B元素也具有提高合金的耐蚀性能的作用。通过大量实验，本专利技术确定P含量为10-15at.%，优选10-12at.%；C含量为2-5at.%，优选4-5at.%；B含量为2-5at.%，优选4-5at.%。Si元素可提高合金的非晶形成能力，本专利技术确定Si的含量为0-6at.%，优选2-4at.%。合金余量为Fe元素，含量为20-35at.%。所述的一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金棒材或非晶粉末的制备方法：（1）采用纯度大于99.5wt%的Fe、Cr、Ni、Mo、C、B和铁磷合金按所述成分进行称重配料；（2）将配好的原料装入感应熔炼炉的坩埚内本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有优异耐蚀性能的Cr‑Fe‑Ni基块体非晶合金，其特征在于：所述非晶合金成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20‑45%，b为20‑35%，c为15‑30%，d为1‑15%，e为10‑15%，f为2‑5%，g为2‑5%，h为0‑6%，且a+b+c+d+e+f+g+h=100%；合金通过铜模铸造获得直径为1‑3 mm的非晶合金棒材，或通过原子气雾化法获得粒径为65 μm的非晶合金粉末；非晶合金的玻璃转变温度为449‑520 ℃，过冷液相区间为46‑65 ℃，断裂强度为3346‑3740 MPa，显微硬度为960‑1047，在室温及80℃的1 N硫酸和1 N盐酸溶液中的耐蚀性优于SUS316L不锈钢。

【技术特征摘要】
1.一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金，其特征在于：所述非晶合金成分表达式为CraFebNicModPeCfBgSih，各元素的原子百分比含量：a为20-45%，b为20-35%，c为15-30%，d为1-15%，e为10-15%，f为2-5%，g为2-5%，h为0-6%，且a+b+c+d+e+f+g+h=100%；合金通过铜模铸造获得直径为1-3mm的非晶合金棒材，或通过原子气雾化法获得粒径为65μm的非晶合金粉末；非晶合金的玻璃转变温度为449-520℃，过冷液相区间为46-65℃，断裂强度为3346-3740MPa，显微硬度为960-1047，在室温及80℃的1N硫酸和1N盐酸溶液中的耐蚀性优于SUS316L不锈钢。2.根据权利要求1所述的一种具有优异耐蚀性能的Cr-Fe-Ni基块体非晶合金，其特征在于：a为20-35%，d为5-15%，e为10-12%，f为4-5%，g为4-5%。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，李艳辉，王思雯，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21