專利名稱：Fe基非晶納米晶噴涂粉末及其氬氣霧化制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶納米晶粉末技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種Fe基非晶納米晶噴涂粉末及其氬氣霧化制備方法。
背景技術(shù)：
非晶-納米晶材料具有比傳統(tǒng)材料更為獨(dú)特而優(yōu)異的性能，是很有發(fā)展前途的新型材料。但是在實(shí)際中，直至目前，這些材料仍還沒有大范圍推廣應(yīng)用，其主要因素是其制備過程難以控制，其應(yīng)用主要被限制在薄帶、細(xì)絲、粉末等低維度形狀上。相對(duì)而言，非晶納米晶涂層的制備過程就比較容易實(shí)現(xiàn)，在眾多制備涂層的方法中，熱噴涂技術(shù)是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)，同時(shí)也是非常有發(fā)展前景的技術(shù)。利用熱噴涂技術(shù)獲得非晶-納米晶復(fù)合涂層很大程度上決定于噴涂粉末的非晶納米晶化。因此能否獲得穩(wěn)定性好，流動(dòng)性強(qiáng)的非晶納米晶復(fù)合粉末便成了獲得非晶-納米晶復(fù)合涂層的一個(gè)重要的因素。
粉末的制備方法很多，氣霧化能耗小，不污染環(huán)境，粉末純度高，球形度好，且粉末特性可控，已成為今年來國(guó)際上高性能噴涂粉末制備技術(shù)發(fā)展的主要方向。因噴涂粉末中的氧含量對(duì)于噴涂過程送粉量的提高及涂層的性能提高有很大的影響，所以真空氣霧化技術(shù)成為今年來制備高性能噴涂粉末的主流技術(shù)，其制粉原理如下，金屬或合金在真空狀態(tài)惰性氣體保護(hù)下在坩堝中熔化并達(dá)到一定過熱溫度之后，撥開柱塞桿，金屬或合金熔液向下流經(jīng)霧化噴嘴，遇高壓氣流，該氣流直接沖擊粉碎金屬或合金溶液成液滴并冷卻這些液滴成半凝固的細(xì)顆粒，這些顆粒在自由飛行中冷凝成微晶粉末。
Fe基非晶合金作為一種新材料，具有優(yōu)異的耐蝕，耐磨，高的強(qiáng)度及韌性等性能越來越受到人們的廣泛重視，其抗拉強(qiáng)度在室溫下高達(dá)1433MPa，約是傳統(tǒng)鐵晶體抗拉強(qiáng)度(630MPa)的2.27倍，壓縮強(qiáng)度和維氏硬度分別達(dá)3800MPa和1360HV，斷裂韌性達(dá)到了1.6MPa·m1/2。但是大塊非晶制備過程的局限性限制了其實(shí)際應(yīng)用，利用熱噴涂技術(shù)能很好的解決這個(gè)問題。王翠玲和樊自拴等人就分別利用超音速火焰噴涂和大氣等離子技術(shù)成功制備出了Fe基非晶-納米晶復(fù)合涂層，擴(kuò)大了非晶-納米晶合金的應(yīng)用范圍，而且利用熱噴涂技術(shù)制備的非晶-納米晶復(fù)合涂層保留了非晶態(tài)合金良好的耐磨耐蝕性能。
要想獲得非晶納米晶涂層很大程度上決定于噴涂粉末的非晶納米晶化。J.G.Zhang和Y.J.Liu等分別利用化學(xué)氣相沉積和機(jī)械合金化方法制備出了Fe基非晶合金粉末；Yoon B.Kim和E.Y.Kang等人利用氣霧化工藝成功制備了Fe基非晶粉末。雖然通過不同的工藝生產(chǎn)方法成功的獲得了Fe基非晶合金粉末，但是大部分是對(duì)其優(yōu)良的磁性能進(jìn)行了研究，并未對(duì)其在熱噴涂中的應(yīng)用進(jìn)行研究，而且上述所制備的粉末均是單一的非晶粉末，要想獲得含有納米晶晶粒的粉末必須經(jīng)過晶化處理，工藝的復(fù)雜性和成本過高對(duì)其應(yīng)用都存在一定局限性。本發(fā)明提出通過對(duì)合金成分和工藝參數(shù)的控制，直接獲得Fe基非晶-納米晶復(fù)合粉末。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種Fe基非晶納米晶噴涂粉末及其氬氣霧化制備方法，解決了如何通過對(duì)噴涂粉末的非晶納米晶化而更為簡(jiǎn)單的獲得非晶納米晶涂層的問題。
本發(fā)明提出采用氬氣霧化方法直接制備Fe基非晶納米晶粉末，選用Fe的一些合金礦作為原料，按成分計(jì)算百分比進(jìn)行熔煉霧化，制備出Fe基粉末后在按不同噴涂工藝的要求篩分出不同粒度的噴涂粉末。
本發(fā)明的Fe基非晶納米晶噴涂粉末在Fe-TM-B(TM＝IV～VIII過渡族金屬元素)非晶合金系的基礎(chǔ)上，成分的重量百分含量為8～15％wt Cr、8～16％wtNi、2.8～5.7％wtSi、2.8～5％wt B、2～8％wt W、2～8％wt Mo、0.5～1％wt Co、1～4％wt Al余量為Fe，，進(jìn)行母合金的熔煉及真空霧化。
粉末成分的配比依據(jù)形成非晶態(tài)合金的三條基本原則，選用氣霧化生產(chǎn)工藝則是能獲得球形度高，流動(dòng)性好的噴涂粉末。
本發(fā)明采用氣霧化工藝作為制備粉末的方法，工藝流程為成分配比-真空熔煉-霧化-粉末篩分。工藝參數(shù)為熔煉真空1×10-4～1×10-2Pa、熔煉溫度1500～1800℃、霧化壓力2.5～4MPa、霧化介質(zhì)氬氣。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于根據(jù)獲取大塊非晶合金的三條原則通過合理選擇合金的成分，利用氬氣霧化快速冷卻的方法制備出Fe基非晶納米晶噴涂粉末，從而使得制備的粉末的球形度非常好，粉末粒度分布合理，并且具有很好的流動(dòng)性。


圖1為Fe基噴涂粉末的形貌照片(2500×)圖2為Fe基噴涂粉末的X射線衍射圖譜圖3為Fe基噴涂粉末的TEM形貌4為Fe基噴涂粉末的微區(qū)衍射花樣圖5為Fe基噴涂粉末的的差熱分析(DSC)曲線圖6為Fe基噴涂粉末的粒度分布圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
Fe基多元素非晶納米晶合金粉末的成分按重量百分比計(jì)為1％C、4.5％Si、2.5％B、18％Cr、8％Ni、6％W 4％Mo、余下的是Fe，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉母合金，熔煉的參數(shù)為熔煉真空5X10-1Pa、加熱溫度1600℃、頻率4kHz輸入功率30KW。
實(shí)施例2Fe基多元素非晶納米晶合金粉末的成分按重量百分比計(jì)為6％Si、4％B、10％Zr、6％Ni、4％Al、余下的是Fe，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉母合金，熔煉的參數(shù)為熔煉真空5X10-1Pa、加熱溫度1600℃、頻率4kHz，輸入功率30KW。
實(shí)施例3Fe基多元素非晶納米晶粉末的成分按重量百分比計(jì)為4.5％Si、2.5％B、8％Cr、6％Ni、6％W、8％Mo余下的是Fe，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉母合金，熔煉的參數(shù)為熔煉真空5X10-1Pa、加熱溫度1600℃、頻率4kHz，輸入功率30KW。
實(shí)施例4Fe基多元素非晶納米晶粉末的成分按重量百分比計(jì)為5.8％Si、2.7％B、15％Cr、15％Ni、4％W、6％Mo、1％Co、2％Al余下的是Fe，在真空感應(yīng)熔煉爐中熔煉母合金，熔煉的參數(shù)為熔煉真空5×10-1Pa、加熱溫度1600℃、頻率4kHz，輸入功率30KW。
選擇實(shí)施例4做粉末性能分析。
噴涂粉末的晶體結(jié)構(gòu)圖1是制備的Fe基噴涂粉末(-325目)的形貌照片，可以看出所制備的粉末均呈球形或橢球形，且表面非常的光滑，具有良好的流動(dòng)性。圖2是Fe基噴涂粉末的X射線衍射圖譜，可以看出粉末中除了含有非晶外，還含有Al0.3Fe3Si0.7和Ni4B3相，Al0.3Fe3Si0.7平均晶粒為36.45nm，Ni4B3平均晶粒為65.68nm，可見，晶粒的尺寸都在100nm以下，都是納米晶，說明所制備的噴涂粉末是非晶納米晶粉末。采用本發(fā)明的合金成分配比及生產(chǎn)工藝方法制備出了Fe基非晶納米晶復(fù)合涂層。
涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)用透射電鏡觀察了涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，結(jié)果見附圖3。從中可以看出粉末的內(nèi)部微觀組織襯度不是很均一，說明所制備的粉末顆粒結(jié)構(gòu)不完全是非晶結(jié)構(gòu)，有少量的納米尺度的彌散析出相，測(cè)量這些多晶成分的尺寸，測(cè)量得到其尺寸分布在10～100nm之間，與用X衍射的衍射峰的半高寬經(jīng)過謝樂公式計(jì)算的晶粒尺寸基本吻合。相應(yīng)區(qū)域的微區(qū)衍射花樣(見圖5)也表明了所制備Fe基噴涂粉末中除了含有非晶外還含有結(jié)晶物質(zhì)，而結(jié)晶物質(zhì)是納米尺寸，可見采用本發(fā)明的合金成分配比及生產(chǎn)工藝方法制備出了Fe基非晶納米晶復(fù)合涂層。
粉末的熱穩(wěn)定性用NETZSCH STA 409C熱分析儀上測(cè)定了粉末的DSC曲線，選用氬氣為保護(hù)性氣體，氬氣的流速為20ml/min，升溫速度為30.0K/min，升溫的范圍為25℃到800℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見附圖6，從中可以看出起始晶化溫度為570.8℃左右，這表明在570.8℃以下涂層是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生晶化過程。粉末中的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)相晶化前的過冷液相區(qū)ΔT＝90.1℃，表明所制備的Fe基粉末具有較強(qiáng)的非晶形成能力。本發(fā)明所制備的Fe基非晶納米晶噴涂粉末具有很高的熱穩(wěn)定性。
粉末的粒度分布用LMS-30激光粒度分布測(cè)定儀對(duì)負(fù)325目的噴涂粉末進(jìn)行了粒度分析，分散媒為水，試樣濃度798mV，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見附圖6，從中可以看出，粉末的平均粒度為21.933μm；粒度大小在16.58～32.78μm間的粉末一共占粉末的81％，說明粉末的正態(tài)分布比較窄，而粒度大小在5.03～13.98μm和38.86～54.64μm間的粉末占的比例分別是10.64％和9％，這說明粉末的粒度分布中，含有一定量的小顆粒和大顆粒，對(duì)于噴涂過程中形成高致密的涂層是非常有利。本發(fā)明所制備的Fe基非晶納米晶粉末非常符合噴涂過程的要求。
權(quán)利要求
1.一種Fe基非晶納米晶噴涂粉末，其特征在于，在Fe-TM-B非晶合金系的基礎(chǔ)上，成分的重量百分含量為8～15％wt Cr、8～16％wtNi、2.8～5.7％wt Si、2.8～5％wt B、2～8％wt W、2～8％wt Mo、0.5～1％wt Co、1～4％wt Al余量為Fe。
2.按照權(quán)利要求1所述的Fe基非晶納米晶噴涂粉末，其特征在于，所述的Fe-TM-B，F(xiàn)e-TM-B為TM＝IV～VIII過渡族金屬元素。
3.一種制備權(quán)利要求1所述的Fe基非晶納米晶噴涂粉末方法，其特征在于，工藝流程為成分配比——真空熔煉——霧化——粉末篩分；工藝參數(shù)為熔煉真空1×10-4～1×10-2Pa、熔煉溫度1500～1800℃、霧化壓力2.5～4MPa、霧化介質(zhì)氬氣；選用的母合金成分的重量百分含量為8～15％wt Cr、8～16％wtNi、2.8～5.7％wt Si、2.8～5％wt B、2～8％wt W、2～8％wt Mo、0.5～1％wt Co、1～4％wt Al余量為Fe。
全文摘要
一種Fe基非晶納米晶噴涂粉末及其氬氣霧化制備方法，屬于非晶納米晶粉末技術(shù)領(lǐng)域。Fe基非晶納米晶噴涂粉末在Fe－TM－B非晶合金系的基礎(chǔ)上，成分的重量百分含量為8～15％wt Cr、8～16％wt Ni、2.8～5.7％wt Si、2.8～5％wt B、2～8％wt W、2～8％wt Mo、0.5～1％wt Co、1～4％wt Al余量為Fe。制備工藝流程是成分配比——真空熔煉——霧化——粉末篩分。本發(fā)明通過氬氣霧化方法成功制備了既含非晶結(jié)構(gòu)又含納米晶結(jié)構(gòu)的Fe非晶納米晶噴涂粉末，該粉末具有很好的流動(dòng)性及穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)C22C33/00GK101029376SQ200710065359
公開日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者樊自拴, 王勇, 張麗娜, 孫冬柏, 孟惠民, 俞宏英, 王旭東 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)