表面改性的非晶合金粉末、制备方法及利用其制备的涂层

摘要

本发明公开了一种一种表面改性的非晶合金复合粉末，其特征在于，通过表面改性技术在所述非晶合金粉末表面包覆一层抗氧化的金属镀层。本发明还公开了该粉末的制备方法，以及利用该粉末制备的非晶复合涂层及其制备方法。本发明非晶复合涂层具有优异的抗氧化性能、高结合力以及良好的抗磨损性能，克服了以往单相非晶涂层/金属基体之间界面结合力较差、高温抗氧化性能不足的问题，可以有效降低非晶粉末在高温热喷涂过程中的表面氧化。该复合涂层在航空航天、钻探、火力发电等热结构材料和耐磨领域有着广泛的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于表面涂层技术领域，具体涉及一种表面改性的非晶合金粉末、该非晶合金粉末的制备方法以及利用该非晶合金粉末制备的复合涂层。

背景技术

非晶态合金简称非晶合金，又称为金属玻璃，具有长程无序、短程有序的亚稳态结构特征。与传统的晶态合金相比，非晶合金具备很多优异的性能，如高强度、高硬度、耐磨和耐腐蚀等，因而引起人们极大的兴趣。非晶合金材料存在的问题是其制备工艺过程难以控制，在实际中很难制备大块非晶材料，其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等低维度形状上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其应用，在绝大部分条件下不能作为结构材料使用。

非晶合金涂层是指通过表面工程技术在传统材料表面获得的一层非晶涂层，该涂层的应用可以大大提高传统表面硬度、耐蚀及耐磨性能，在材料表面改性领域具有十分巨大的潜在应用价值，尤其是成本相对低廉的铁基非晶合金涂层，具有优异的物理和化学性能，如超高的硬度和极佳的耐磨抗腐性能，因此在表面工程领域有广阔的应用前景。

非晶合金涂层的制备通常采用热喷涂技方法，其制备的涂层具有耐磨损、耐腐蚀耐高温和隔热等优良性能，因此在机械制造、航空航天、石油化工等领域有着非常广泛的应用。热喷涂所用的粉末材料大多采用超声雾化法获得，超声雾化法是主要利用高速气流或水流，以高速度冲击液态金属流，使其雾化成小液滴，随后凝固成粉末。所得粉末尺寸比较集中，粉末获得率高，球形化程度好，目前热喷涂用的非晶合金粉末大多采用超声雾化法制得。

然而，由于金属粒子在热喷涂过程中不可避免地会发生表面氧化，所形成的氧化物组织会极大地降低涂层的结合力、耐磨性以及其他服役性能，这会严重影响非晶涂层的使用性能和服役寿命。

发明内容

针对现有技术中存在的问题和改进缺陷，本发明的目的在于提供一种表面改性的非晶合金复合粉末、其制备方法以及利用该非晶合金复合粉末制备的涂层，其通过粉末表面改性的方法在非晶合金粉末表面包覆一层抗氧化的金属镀层，从而降低非晶合金粉末在热喷涂过程中的氧化程度，解决目前非晶合金粉末由于高温喷涂过程的氧化而导致的涂层性能降低的问题。

按照本发明的一个方面，提供一种表面改性的非晶合金复合粉末，其特征在于，其为通过表面改性技术在非晶合金粉末表面包覆抗氧化的金属镀层的复合粉末。

作为本发明的改进，所述粉末表面改性技术为高能球磨、溶胶凝胶、气相沉积、化学镀、电镀方法中的一种或多种复合。

作为本发明的改进，所述金属镀层材料为纯Ni、纯Co、纯Cu、Ni-P、Ni-B、Ni-W、Ni-W-P和Ni-Cu-P中的一种或多种复合。

作为本发明的改进，所述金属镀层的厚度在1-5μm。

作为本发明的改进，所述非晶合金粉末采用超声雾化方法制备，其粒径范围为15-60μm，粉末为完全非晶态。

按照本发明的另一方面，提供一种非晶合金复合涂层，其特征在于，该涂层通过将上述非晶合金复合粉末利用热喷涂方法制备得到。

作为本发明的改进，所述非晶复合涂层的厚度在100-1500μm。

作为本发明的改进，上述热喷涂包括火焰喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂或超音速火焰喷涂。

按照本发明的又一方面，提供一种表面改性的非晶合金复合粉末的制备方法，其特征在于，其通过表面改性技术在所述非晶合金粉末表面包覆一层金属镀层，即可形成表面改性的非晶合金复合粉末。

按照本发明的再一方面，提供一种非晶合金复合涂层的制备方法，其特征在于，将上述非晶合金复合粉末利用热喷涂方法进行喷涂，即可制备得到所述非晶合金复合涂层。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明针对金属基非晶合金粉末在高温喷涂过程中容易氧化的问题，采用简易的粉末表面改性技术，在非晶合金粉末表面镀上一层抗氧化涂层，该技术所采用的设备与工艺简单，操作方便，能够获得厚度均匀、结合力强的金属镀层，可大规模生产。

本发明基于粉末表面改性获得的非晶复合涂层，具有高结合力，优异的抗氧化性能和抗磨损性能。这种复合涂层在热结构材料领域(如航空航天、火力发电等)以及耐磨材料领域(如钻探、工具刀等)有巨大的应用前景。

附图说明

图1(a)、(b)和(c)分别为单相铁基非晶粉末、Ni-P和Ni-W-P改性的非晶复合粉末扫描电子显微镜(SEM)表面形貌图；(d)和(e)分别为Ni-P和Ni-W-P改性的非晶复合粉末扫描电子显微镜(SEM)截面形貌图。

图2(a)、(b)和(c)分别为单相铁基非晶涂层、Ni-P和Ni-W-P改性的非晶复合涂层扫描电子显微镜(SEM)截面形貌图。

图3(a)粉末与(b)涂层的X射线衍射图

图4非晶复合涂层与单相非晶涂层的结合强度对比。

图5非晶复合涂层与单相非晶涂层的抗氧化性能对比。

图6非晶复合涂层与单相非晶涂层的耐磨损性能对比。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例中，优选的非晶合金粉末为Fe基非晶合金粉末。

首先按所需的成分用例如真空感应熔炼的方法制得母合金，然后将母合金放入雾化炉内，采用超声气体雾化技术制备Fe基非晶合金粉末。其粉末颗粒形貌如图1(a)所示，粉末表面光滑、呈近球形。本发明中，粒径范围优选为15-60μm。

然后，对上述粉末进行表面改性处理，本实施例中优选是化学镀改性，但本发明并不限于此，例如可以是高能球磨、溶胶凝胶、气相沉积、化学镀、电镀方法中的一种或几种的复合。

改性处理中，先进行前处理，即可通过钯离子对上述非晶合金粉末进行活化处理使其表面形成活性位点，然后经过水洗与酒精清洗，最后过滤干燥。

上述前处理之后，即可对上述非晶粉末进行化学镀改性，本实施例中优选的金属镀层为Ni-P，其具体工艺如下：

a)配置如下成分的化学溶液：

b)将上述前处理之后的非晶粉末浸泡在上述化学溶液中，通过水浴加热该溶液，使其温度保持在80-90℃；调节溶液的pH值为4-5；该处理过程中保持对溶液不停地搅拌，表面处理时间优选为1-2h。

c)之后对上述粉末水洗、酒精清洗过滤，然后干燥，获得Ni-P改性的非晶复合粉末。改性后的粉末形貌如图1(b)和(d)所示，可见非晶粉末表面均匀地包覆了一层厚度为2μm的Ni-P金属镀层。

最后，利用热喷涂方法将所述非晶粉末喷涂在材料表面，即可在材料表面形成铁基非晶复合涂层。

根据ASTM C633标准方法对铁基非晶复合涂层进行拉伸测试以获得涂层的结合强度，发现该Ni-P包覆的铁基非晶复合涂层的结合强度达到42MPa，是单相铁基非晶涂层的结合强度的1.6倍，结果如图4所示。

将铁基非晶复合涂层从基体上剥离，用320#砂纸打磨，除去涂层表面氧化层，用酒精超声清洗，干燥，用天平称重，然后将样品放在空气中加热至800℃，保温20h，取出后冷却至室温称重，计算其氧化增重，发现该Ni-P包覆的铁基非晶涂层的氧化增重为3.2％，仅为单相铁基非晶涂层的2/3，结果如图5所示。

采用摩擦试验机对铁基非晶复合涂层进行球盘式摩擦试验，实验条件为：载荷10N，转速0.2m/s，直径6mm的Al₂O₃陶瓷球作为摩擦副，时间1000s。摩擦结束后用白光干涉仪测量铁基非晶复合涂层的体积损失量，计算磨损速率，发现该Ni-P改性的铁基非晶复合涂层的磨损速率为5.8x10^-5mm³N^-1m^-1，仅为单相铁基非晶涂层的1/2，结果如图6所示。

实施例2

本实施例与与实施例1不同之处在于，金属镀层优选为Ni-W-P镀层，另外化学镀改性技术中，本实施例所用的化学镀工艺为：

通过上述处理，本实施例制备的铁基非晶复合涂层的结合强度为35MPa，为单相铁基非晶涂层的1.3倍。本实施例制备的铁基非晶复合涂层的氧化增重为1.3％，为单相铁基非晶涂层的1/4。本实施例制备的铁基非晶复合涂层的磨损速率为4.3×10^-5mm³N^-1m^-1，为单相铁基非晶涂层的1/3。

当然，上述实施例仅为用于更好地说明本发明的技术方案，并不构成对本发明的限定，例如，本发明中，非晶粉末并不限于上述Fe基非晶粉末，另外，对于粉末表面的金属镀层材料并不限于上述两种，可以是Ni、纯Co、纯Cu、Ni-P、Ni-B、Ni-W、Ni-W-P和Ni-Cu-P中的一种或多种复合。金属镀层的厚度可以优选在1-5μm。另外，涂层的厚度也不限于上述范围，也可以根据实际需要进行具体选择，例如厚度在100-1500μm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。