技术领域
[0001] 本
发明涉及非晶合金涂层技术领域，具体涉及一种耐磨耐蚀防滑非晶合金涂层及其制备方法，可用于制备
腐蚀或非腐蚀环境下的高耐磨耐蚀防滑涂层。
背景技术
[0002] 非晶态合金(又称金属玻璃)与常规多晶金属材料相比，非晶态合金呈现出长程无序、短程有序的结构特性，具有许多优异的
力学和物理性能。非晶是金属玻璃领域中非常重要的合金体系，它不仅具有优良的高强度特性，而且在耐腐蚀、抗磨损方面也表现出突出的性能。另外，其制备成本低廉、具有极其广泛的应用前景。
[0003] HVAF超音速
火焰喷涂是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分。它是利用燃烧火焰将金属合金粉末加热到熔融或半熔融状态，然后借助焰流或压缩空气以一定速度喷射到预处理过的基体表面，沉积而形成具有各种功能(如防腐蚀、耐磨、耐高温和抗
氧化等)的表面涂层的技术。在航空航天、石油化工、
原子能等行业获得了广泛应用。
[0004] 工业领域中，
钢铁作为一种高性能低成本的材料被广泛应用，但在苛刻恶劣的环境下，例如腐蚀环境、摩擦磨损环境，钢铁的使用寿命急剧缩短或不能满足要求。因此需要在其表面涂覆一种保护性质和性能提高的涂层，以达到使用要求。非晶合金涂层优异的耐蚀性和无
磁性，可以使得其在先进
船舶壳体上，作为耐蚀涂层；其超高硬度和优良的耐磨耐蚀性能，为在恶劣环境下工作的
水泵叶片提供优质的保护；其优异的耐蚀性以及高的
硼含量，为核废料处理工业提供了一种新的材料应用载体，其优异的防滑性能可以为干燥、水、油环境下提供可靠的
摩擦力，为特殊环境下的
刹车、
制动等提供了有效的解决方案，当然还有很多有待开发的应用领域。为此，开发具有我国自主知识产权的高性能非晶合金涂层具有重大的战略意义。
发明内容
[0005] 为了解决腐蚀环境下普通钢材的腐蚀和磨损，提高零件在腐蚀、磨损环境甚至核放射环境的服役寿命和使役性能，本发明提供一种耐磨耐蚀防滑非晶合金涂层及其制备方法。
[0006] 本发明所采用的技术方案如下：
[0007] 一种耐磨耐蚀防滑非晶合金涂层，按重量百分含量计，该涂层化学组成如下：Cr：13％～25％；Mo：10％～30％；W：0％～8％；Mn：0％～5％；B：1％～4％；Si：0％～4％；C：0％～4％；Fe：40％～65％；Y：0％～5％；Ca：0％～1％。该涂层化学组成中，其他杂质含量≤
3wt.％。
[0008] 所述非晶合金涂层的基底为
碳钢、
不锈钢或特殊环境用钢。
[0009] 所述非晶合金涂层为完全非晶或不完全非晶结构，不完全非晶结构中非晶相含量≥40wt.％。
[0010] 所述非晶合金涂层与基底的结合强度为52MPa，涂层硬度为1071HV。
[0011] 该涂层是采用HVAF超音速
火焰喷涂的方法制备得到；该方法中，使用丙烷和/或丙烯作为气体
燃料，压缩空气作为助燃剂，使用氢气和氮气提高工艺的灵活性。
[0012] 所述HVAF超音速火焰喷涂使用的非晶合金粉末为球形或类球形，使用气体雾化方法获得。
[0013] 所述HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力88～98psi；燃气压力70～80psi；燃气流量：125～145SLPM；氢气流量：20～40SLPM；氮气流量：20～30SLPM；送粉速率5～10rpm；喷涂距离150～300mm。
[0014] 本发明有益效果如下：
[0015] 1、针对现有的
等离子喷涂或其他
热喷涂方法制备的非晶合金涂层，在使用过程中发现其非晶形成能力差、制备困难，涂层较脆等缺点。本发明使用了HVAF超音速火焰喷涂制备非晶合金涂层，该方法具有速度快、氧含量低、热量低、成本低等优点，很好地避免了涂层的氧化和
过热问题，降低了涂层的脆性，扩大了涂层的使用范围。
[0016] 2、使用本发明方法获得的涂层均匀，孔隙率低(≤1％)，具有较高的硬度(≥800HV)，并且具有很好的
耐腐蚀性(中性NaCl盐雾2000小时未出现明显腐蚀)，防滑性能优异(水磨状态下
摩擦系数可达0.7)。该方法使用的合金粉末微观结构呈球形，有微量卫星组织，粉末流动性能优异(≤18s/50g)，获得的涂层呈非晶结构，有部分晶化相出现，非晶含量≥40％。
[0017] 3、本发明非晶合金涂层与基底的结合强度大，硬度大，具有优异的耐磨、耐蚀和防滑性能，可以在腐蚀环境中满足耐磨损和防滑的性能要求。
附图说明
[0018] 图1为
实施例1粉末形貌及粉末涂层XRD。
[0019] 图2为实施例1涂层截面和表面SEM照片；其中：(a)截面；(b)表面。
[0020] 图3为实施例1涂层和同成分完全非晶条带DSC曲线。
[0021] 图4为实施例1盐雾实验结果。
[0022] 图5为实施例1摩擦系数及涂层磨损后表面形貌。
[0023] 图6为实施例2涂层表面、截面SEM照片及XRD图谱；其中：(a)涂层表面；(b)截面SEM照片及XRD图谱。
[0024] 图7为实施例2涂层与基底(304不锈钢)电化学极化曲线。
[0025] 图8为实施例3涂层截面与XRD图。
[0026] 图9为实施例3涂层DSC图谱。
[0027] 图10为实施例3涂层电化学测试结果。
具体实施方式
[0028] 以下结合附图及实施例详述本发明。
[0029] 实施例1：
[0030] 采用超声气体雾化设备制备非晶粉末。其粉末颗粒形貌如图1。从图中可以看出，粉末大都呈球形，且带有少量的卫星组织。该粉末流动性为16.8s/50g，适用于HVAF超音速火焰喷涂。粉末为非晶组织，伴随有少量的非晶相。
[0031] 使用上述粉末(取粒径为15μm～52μm)做喷涂原料，利用HVAF超音速火焰喷涂设备制备非晶合金涂层(基底为普通
碳钢)。首先将基底做除油除锈处理，利用
喷枪对基底表面吹砂，增加表面的粗糙度。HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力90psi；燃气压力75psi；燃气流量：130SLPM；氢气流量：25SLPM；氮气流量：22SLPM；送粉速率6rpm；喷涂距离
200mm。
[0032] 获得的涂层的化学成分(
质量百分比)为Cr：18％；Mo：14％；W：5％；Mn：2％；B：1.5％；Si：2％；C：1％；Fe余量。涂层结构均匀，未熔颗粒少，孔隙率低(<1％)，氧含量仅为
0.2％。涂层与基底的结合强度为52MPa。涂层的
X射线衍射(XRD)，截面扫描
电子显微镜(SEM)结果分别如图1、2。为获得涂层的非晶相含量，分别做了涂层与完全非晶条带的差热分析(DSC)测试，结果如图3，计算后涂层非晶相含量大约68％。
[0033] 利用维氏显微硬度计MVK-H3测量了非晶合金涂层的硬度值，所施压力为100g，持续时间为10秒，测试过程中，尽量避免在孔隙等
缺陷附近测试，每个样品测试不同区域的10个数值，最后取平均值。测量结果，该涂层硬度为1071HV。
[0034] 样品在30℃中性1mol/L的NaCl盐雾中持续2000小时后照片如图4，未发现腐蚀，本发明非晶合金涂层具有优良的耐腐蚀性能。
[0035] 涂层的摩擦磨损性能是在CETR UMT-3MT-220多功能摩擦磨损试验机进行的，往复距离为2mm，
摩擦副为Al2O3，施加
载荷30N，线速度为10mm/s，持续时间1.5小时。非晶合金涂层与摩擦副(Al2O3球)的摩擦系数为1.6(图5)；本发明非晶合金涂层失重为0.0009g，磨痕SEM扫描照片如图7。磨痕大小为2.51mm(长)；1.48mm(宽)；0.03mm(深)。按照涂层厚度0.5mm计算，1.5小时磨损量约为6％。显示了优良的耐磨损性能。测试了涂层在干燥和水膜状态下，与
橡胶摩擦副的摩擦系数，分别为0.91和0.72，显示了较高的防滑性能。
[0036] 实施例2：
[0037] 采用超声气体雾化设备获得非晶粉末。其粉末颗粒形貌大都呈球形，为非晶组织，伴随有少量的非晶相。该粉末流动性(17.5s/g)极佳，适用于HVAF超音速火焰喷涂。
[0038] 使用上述粉末(取粒径为15μm～52μm)做原料，利用HVAF超音速火焰喷涂设备制备非晶合金涂层(基底为304不锈钢)。首先将基底做除油除锈处理，利用喷枪对基底表面吹砂，增加表面的粗糙度。HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力95psi；燃气压力74psi；燃气流量：130SLPM；氢气流量：24SLPM；氮气流量：25SLPM；送粉速率6rpm；喷涂距离
190mm。
[0039] 涂层的成分(质量百分比)为：Cr：15％；Mo：20％；B：2.1％；Si：0.2％；C：3.5％；Y：3.5％；Ca：0.5％；Fe余。获得的涂层结构致密均匀(图6)，孔隙率低(0.73％)，未熔颗粒少，氧含量仅为0.11％。该涂层非晶形成能力较好，非晶相含量大约79％(图6)，涂层与基底的结合强度为50MPa，利用维氏显微硬度计MVK-H3测量了非晶合金涂层的硬度值，所施压力为
100g，持续时间为10秒，测试过程中，尽量避免在孔隙等缺陷附近测试，每个样品测试不同区域的10个数值，最后取平均值。测量结果，该涂层硬度为912HV。
[0040] 采用美国EG&G公司产的Potentionstat/Galvanostat Model 273型
恒电位仪来测定涂层的电化学行为，测得其极化曲线如图7。由图可见，涂层在1M
盐酸溶液中表现出了很好的
钝化行为，钝化
电流低，大约10-4A/cm2，钝化区间大，大约1.2V。本发明非晶合金涂层具有优良的耐腐蚀性能。
[0041] 实施例3：
[0042] 采用超声气体雾化设备获得非晶粉末。其粉末颗粒形貌大都呈球，为含少量非晶相的非晶组织。该粉末流动性能优异(17.2s/50g)，适用于HVAF超音速火焰喷涂。
[0043] 使用上述粉末(取粒径为15μm～52μm)做原料，利用HVAF超音速火焰喷涂设备制备非晶合金涂层(基底为304不锈钢)。首先将基底做除油除锈处理，利用喷枪对基底表面吹砂，增加表面的粗糙度。HVAF超音速火焰喷涂具体工艺参数为：空气压力93psi；燃气压力72psi；燃气流量：125SLPM；氢气流量：24SLPM；氮气流量：25SLPM；送粉速率7rpm；喷涂距离
200mm。
[0044] 涂层的成分(质量百分比)为：Cr：18.3％；Mo：14％；W：5.8；B：3.2％；Si：1.3％；C：0.9％；Ca：0.6％；Fe余。获得的涂层结构致密均匀(图8)，孔隙率低(0.53％)，未熔颗粒少，氧含量仅为0.15％。该涂层非晶相含量大约82％(图9)，涂层与基底的结合强度为55MPa，利用维氏显微硬度计MVK-H3测量了非晶合金涂层的硬度值，所施压力为100g，持续时间为10秒，测试过程中，尽量避免在孔隙等缺陷附近测试，每个样品测试不同区域的10个数值，最后取平均值。测量结果，该涂层硬度为1052HV。
[0045] 采用美国EG&G公司产的Potentionstat/Galvanostat Model 273型恒电位仪来测定涂层的电化学行为，测得其极化曲线如图10。由图可见，涂层在3.5％NaCl溶液中表现出了很好的钝化行为，钝化电流低，大约10-6A/cm2，钝化区间大约1.1V。本发明非晶合金涂层具有优良的耐腐蚀性能。
