等离子喷涂制备铁基非晶合金涂层的结构及其耐腐蚀性能的研究.pdf

7 0 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 等离子喷涂制备铁基非晶合金涂层的结构 及其耐腐蚀性能的研究 呻福兴，刘洛夫，崔崇 天津大学，天津3 0 0 0 7 2 揍瑟选用铁基菲晶会金粉末 舍有C r ，M o ，N i ，P ，B ，S i 聚耀等离子喷涂方法在e 1 2 3 5 低碳镪张不锈 锯蕊傣主裁备合金涂鬃，透蓬金穰显徽镜、X 麓线戆袈羁l 曩臻毫予显微镜爵究分辑了涂疆懿穰绫成纛显 徽络梅。研究结果表明该涂层与基体缩合紧密，涂层均街敦密度高，涂层煮娶由非晶组成；涂胺由变形 成条带状的粒子相甄搭接而成，其中宙宥少量未熔粒子和氧化物。所制铸的铁基非晶涂层气孑L 率约 2 ．5 ％，硬度为7 5 0 ～8 5 0H V 0 ．1 ．通过禚H 2 S O 、H C I 和N a O H 溶液中进行浸泡腐蚀和三电檄电化学 分耩，表骥该涂层具鸯优舅豹耐腐蚀麓力。 关键漏等离子凌涂；繇器台金；铗萋会众；辩镳毪魏 审瞩分类号T G l 7 t ．4文献标识码A文章编号l 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 8 S O - - 0 0 7 0 - - 0 4 S t r u c t u r ea n dC o r r o s i o nP r o p e r t i e so fF e b a s e dA m o r p h o u s C o a t i n g sD e p o s i t e db yP l a s m aS p r a y Y EF u - x i n g ，L I UL u o - f u ，C U IC h o n g T i a n j i nU n l v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 0 7 2 。C h i n a A b s t r a c t Ak i n do fF e - h a s e da l l o yp o w d e r c o n t a i n i n gC r ，M o lN i ，P ，B ，S i w i t hh i g hg l a s sf o r m a t i o na - b i l i t y G F A w a sd e p o s i t e do nQ 2 3 5s t e e la n ds t a i n l e s ss t e e lb yp l a s m as p r a y i n gt e c h n i q u e ．T h es t r u c t u r e o fa s - s p r a y e dc o a t i n g sw a sc h a r a c t e r i z e db ym e t a U o g r a p h i cm i c r o s c o p y ，X R Da n dS E M ．Ad e n s ea n dh o m - o g e n e o u sc o a t i n g sw i t hh i g hf r a c t i o no fa m o r p h o u sp h a s ew a so b t a i n e d ，w h i c hw a sc o m p o s e do fd e f o r m e d s t r i ps h a p e dp a r t i c l e s ，u n - m e l t e dp a r t i c l e sa n do x i d e s ．I tw a sf o u n dt h a tt h ec o a t i n gw a sw e l lb o n d e dw i t h s u b s t r a t e ．T h eF e - b a s e da m o r p h o u sc o a t i n g se x h i b i t e dar e l a t i v e l yl o wp o r o s i t yo fa b o u t2 ．5 ％a n dh i g h h a r d n e s so f7 5 0 - 一8 5 0H V O ．1 ．T h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c eo ft h ec o a t i n ga n ds u b s t r a t ew e r ei n v e s t i g a t e db y i m m e r s i o na n de l e c t r o c h e m i c a lp o l a r i z a t i o nt e s ti nH 2S O ‘，H C la n dN a O Hr e s o l u t i o n s ．T h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec o a t i n g sh a de x c e l l e n tc o r r o s i o nr e s i s t a n tc a p a c i t y ． K e y w o r d s P l a s m as p r a y ；A m o r p h o u sa l l o y ；F e - b a s e da l l o y ；C o r r o s i o nr e s i s t a n c e 非晶合众也称为金属玻璃，由于无晶界位错、化 学成分均一、高强度高硬度、良好的软磁性以及比同 释材辩鳃蘸髂合金优舅的多的穗腐蚀与耐磨性能两 受到越来越多的重视[ 1 - 4 ] 。簧获得非晶含金，液态 合金必须瑟有足够快的冷却速率以抑制熔融态合金 的结晶。快速凝固技术如等离子溅射、激光表面熔 融、锯模铸造秘物理气摆沉积法均能获得较快的冷 作者简介叶梧兴 1 9 7 4 一 ，熙，哭津人，教授，工学博士． 却速率，但是由于其生产率很低，难于制备出大体积 或火面积试样，限制了它们在工业生产中的应用。 等离子囔涂方法能获褥菲鬻离黪冷帮速率 大予 1 0 6K ／s ，有科予形成非晶态组织，其最大的优势是 能在更大更复杂的表面上制备出非晶合金涂层[ 5 ] 。 1 9 7 0 年发现的F e - C r P 非晶合金体系具有易形成 嚣照耀、高硬度、挽努鳇耐腐蚀性憩以及节省原材料 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊7 l 的特性[ 6 ] ，因此本研究选择一种铁基非晶合金粉末 禽有F e ，C r ，M o ，P ，S i ，B ，N i ，通过等离子唼 涂方法在Q 2 3 5 钢藕不锈键基俸上获褥T5 0 0 微米 厚左右的非晶合金涂层，并分别研究对比了喷涂态 涂层和经热处理后涂层的相结构、显微结构、硬度、 孔隙率和耐腐蚀性能之阔的相互关系。 l 实验方法及其设备 根据I n o u e 的获得大的非晶形成能力的实验原 则设计出的非晶合金粉末成分 ％ M o0 ．0 4 5 、C r l o ．0 8 、Ⅺ2 ．S 7 、P4 。7 4 、S i2 。0 5 、B1 0 ．0 、F e 余量。 通过气体雾化法裁备粉末，粉末的直径为4 S ～6 0 肛m 。Q 2 3 5 钢和不锈钢基体试样 5 0m m 5 0m m 4r a m 的待喷涂表面经氯化铝喷砂处理后再用丙 酮清洗。等离子喷涂采用A P , ％2 0 0 0 型喷涂设备， 凑涂参数采震统计学孛歪交试验方法设计，傥纯后 的参数喷涂电流5 5 0A 、喷涂电压6 0V 、A r 气流量 4 0L ／m i n 、喷涂距离1 0 0m m 、送粉气流量7L ／r a i n 、 移动速度3 0m m ／s 、送粉速度1 5g ／m i n 。使用 G X 5 1 垄光学显徽镜纛X 3 0 型电子扫接显微镜研究 涂层的显微结构，同时采用光学显微镜观测并计算 涂层的平均厚度。涂层横截面上的孔隙率用M A T L A B 软件分析计算得到。显微硬度采用M H V 2 0 0 0 型数掌维氏硬度计测定，试验载荷0 。9 8N ，热 载爵闻1 0S 。 非晶涂层的热稳定性通过N E T Z S C HS T A 4 4 9 C 型差分扫描量热仪 D S C 分析，试样鬣于连续 流动的净化过的氮气内，采用从室温以l OK ／s 速率 舞至婺9 2 7K 的连续趣热模式。 非晶涂朦相结构通过M P D 型衍射仪，采用波 长入一1 5 ．4 0 6n m 的C u - K a 射线来测定，使用M D I J a d e 软件分析X R D 测试结果。 通过在麓。S Q 、} | C l 秘N a O } { 溶滚申遴行浸泡 腐蚀和三电极电化学分衔涂层的耐腐馁熊力。动电 位极化曲线E l lP A R S T A T2 2 7 3 型电化学工作站测 定，以P t 电极为辅助电极，S b 电极为参比电极，试 样为工作电极。测试前非熬涂层表面用8 0 0 号的 S i C 砂纸打銮后置手蔼醺洛液内进行超声波清洗， 再用蒸馏水冲洗干净。在室温2 5 。C 、大气环境下分 别在lm o l ／LH 2 S 0 4 溶液、1 0 ％N a O H 溶液和 3 ．5 ％N a C l 溶液中测定动电位极化曲线。试样曝露 在溶滚中酶裘嚣稷势l 。0c m 2 ，采爆的撩攮邀蘧从 裰对于S b 泡极的腐蚀电位以下2 5 0m V 以1 0 m Y ／r a i n 扫描速度升至阳极区。 在室温下分别在1m o l ／LH C l 和1 0 ％N a O H 溶液中进行浸泡腐蚀试验，并用囔涂态涂层与打磨 之麓的涂屡遂行对鲍试验，浸泡腐蚀试验结果通避 试样失重来表示。 2 结果与讨论 匿l 蠢等寓子骥涂囊镄备酶铁基涂层的X 射 线衍射结果，只在2 0 ≈4 4 。 处有一个宽馒头峰，表 明涂层主要有非晶组成。 1 02 03 l ’4 05 06 07 08 0∞ 凹， o 圈1 等离子喷涂铁基涂屡的X R D 圈谱 F i g ．1X R Dp a t t e r no fa ss p r a y e dc o a t i n g 所制备的涂朦典型横截面如图2 所示，涂屡厚 度约6 5 0 ／L m ，铁撼非晶合金涂层结构致密，平滑，尚 基体结合较好。涂层的孔隙率低予2 ．5 ％，这将巅 蓑羧善其嚣疼强健镌。 图2 等离子喷涂涂层横截面的典型显徽结构 F i g 。2T y p i c a lm i c r o s t r u c t u r eo fc r o s ss e c t i o n o ft h es p r a y e dc o a t i n g ， k 萎 ● ≥ E 吝 答 翻3 等离子躞涂铁基涂层约典型D S C 曲线 F i g 。3D S Cc u r v eo fa ss p r a y e dc o a t i n g 万方数据 7 2 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年增刊 图4 涂层横截面上的显微硬度分布 F i g ．4 D i s t r i b u t i o no fm i c r o h a r d n e s so na 懈s e c t i o n 图3 为D S C 测试曲线，在5 9 9 ℃有一个强放热 峰，在7 4 4 ℃有一个弱放热峰，表示非晶涂层在 5 9 9 ℃开始显著结晶，得到一种新相。晶化温度高达 5 6 2 ℃，表示该涂层具有很高的热稳定性。 图4 为维氏硬度的测定结果，非晶涂层的硬度 为H V o ．17 5 0 ’- - 8 5 0 ，比Q 2 3 5 基体的硬度高出6 倍。 图5 和表1 表示喷涂之后的涂层和不锈钢基体 分别在1m o l ／LH 2 S O ‘、i 0 ％N a O H 、3 ．5 ％N a C l 溶液中的动电位极化曲线及测试分析结果。 C u r r a n td e n s i t y ／ m A ‘c m 。2 C u r r e n td e n s i t y ／ m A c m 。2 】 C u r r e n td e n s i t y ／ m A 。∞4 图5 在不同电解质溶液中涂层和基体的动电位极化曲线 F i g ．5P o t e n t i o d y n a m i cp o l a r i z a t i o nc u r v e so fa ss p r a y e dc o a t i n g sa n d s u b s t r a t e si nd i f f e r e n te l e c t r o l y t e s 表1不同电解质中涂层和不锈钢基体的电化学参数 T a b l e1E l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o a t i n g sa n ds t a i n l e s ss t e e ls u b s t r a t ei nd i f f e r e n te l e c t r o l y t e s 根据T a f e l 直线外推法计算得到腐蚀电流密度 i 。。 ，并以此来表示腐蚀速率大小。图5 a 所示在1 m o l ／LH S O 。溶液中非晶涂层首先进人钝化区，虽 然不锈钢基体的钝化区比较宽，但由表1 可以看出， 计算得到的i 一要低于不锈钢基体。在图5 b 所示的 1 0 ％N a O H 溶液中，涂层有最宽的钝化区和最低的 电流密度。由表1 可知涂层在三种溶液中的i 。。都 要低于相应的不锈钢基体，涂层耐腐蚀性能优异。 浸泡腐蚀试验所测的重量损失数据如图6 所示，在 1m o l ／LH C l 和1 0 ％N a O H 两种溶液里，经打磨光 滑后的涂层的重量损失急剧降低。随浸泡时间的增 加，可见打磨后的涂层的重量损失增长的速率要低 于喷涂态涂层的重量损失增长的速率，同时打磨与 未经打磨的涂层在N a O H 溶液中的耐腐蚀性能要 明显高于在其他溶液中的耐腐蚀性能。 3结论 采用等离子喷涂技术在铁基体上喷涂一种铁基 非晶合金粉末，得到了致密、均一且含有大量非晶相 的涂层。该涂层与基体结合良好，孔隙率仅为 2 ．5 ％左右，硬度为7 5 0 ～8 5 0H V 0 ．1 ，根据腐蚀试 验的结果，该涂层有着优异的耐腐蚀性能。实验数 据表明这种铁基非晶合金涂层在要求高耐磨、高耐 腐蚀的工业中有着非常好的应用前景。 5 O 5 0 l l l 0 0 ，I蔓_；磐口山 ∽ ％ ㈣ ％ ，I息兰u_0d ． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年增刊 7 3 I m m e i o nt i m e ／h 圈6 涂层瘸饿失重与浸泡时澜的关系 4 06 08 0 I m m e r s i o nt i m e F i g ．6W e i g h tl o s s 黼af u n c t i o no fi m m e r s i o nt i m e 参考文献 [ 1 ] K i s h i t a k eK ，E r aH ，O t s u b oRT h e r m a l - s p r a y e dF e - 1 0 C r - 1 3 P - 7 Ca m o r p h o u sc o a t i n g sp o s s e s s i n ge x c e l l e n t c o r r o s i o nr e s i s t a n c el - J ] ．J ．T h e r mS p r a yT e c h 。，1 9 9 6 5 4 7 6 4 8 2 ． [ 2 ] I n o u eA ，T a k e u e h iA ．R e c e n tp r o g r e s si nb u l kg l a s s ya l l o y s [ J ] ．M a t e rT r a n s ，2 0 0 2 4 3 1 8 9 2 - - 1 9 0 6 ． [ 3 ] Z h uQ i n g j u n ，Q uS h i y a o ，W a n gX i n h o n g ，e ta l 。S y n t h e - s i so fF e - b a s e da m o r p h o u sc o m p o s i t ec o a t i n g sw i t hl o W p u r i t ym a t e r i a l sb yl a s e rc l a d d i n g [ J ] ．b A p p lS u r fS c i ， 2 0 0 7 2 5 3 7 0 6 0 7 0 6 4 ． [ 4 ] I n o u eA k i h i s a ，S h i n o h a r aY o s h i y u k i ，G o o kJ i nS e o n ． T h e r m a la n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fb u l kF e - b a s e dg l a s s y a l l o y sp r e p a r e db y c o p p e rm o l dc a s t i n g [ J ] ．M a t e r T r a n ，J I M ，1 9 9 5 3 6 1 4 2 7 1 4 3 3 ． [ 5 ] F e n i n e e h eNE ，C h e r i g u iM ，A o u r a gH 。S t r u c t u r ea n d m a g n e t i cp r o p e r t i e ss t u d yo fi r o n - b a s e dt h e r m a l l y s p r a y e da l l o y s [ J ] ．JM a t e rS c iL e t t ，2 0 0 4 5 8 1 7 9 7 1 8 0 1 ． [ 6 ] S t o i c aM 。，E c k e r tj ，R o t hS ，e ta l 。P r e p a r a t i o no fb u l k a m o r p h o u sF e - C r - M o - G a P - C - Ba l l o y sb y c o p p e rm o l d c a s t i n g [ J ] ．M a t e rS e iE n gA ，2 0 0 4 3 7 5 - - 3 7 7 ；3 9 9 4 0 2 ． 上接6 6 页 参考文献 [ 1 ] X uB i n s h i ，W a n gH a i d o u ，D o n gS h i y u n ，e ta LN a n o s u r f a c ee n g i n e e r i n gi nt h e2 1 t hc e n t u r y 【j 】。T r a n s a e t i o n so fm a t e r i a l sa n dh e a tt r e a t m e n t ．2 0 0 4 ，2 5 5 8 1 2 ． [ 2 ] H a nZ h i h a i ，X uB i n g s h i ，W a n gH a i j u n ，e ta 1 ．Ac o m - p a r i s o nb e t w e e nt h et h e r m a ls h o c kb e h a v i o ro fc u r r e n t l y p l a s m as p r a ya n dr e c e n t l ys u p e r s o n i cp l a s m as p r a yC e 0 2 一Y 2 0 3 一Z r 0 2g r a d e dT B C s 口j ．S u r f a c e ＆C o a t i n g s T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，2 0 1 5 2 5 3 5 2 5 6 ． [ 3 3 歪海军，韩志海，徐滨士．超音速等离子喷涂制备W C C o 涂层的技零经济分析[ J ] 。有包金属 冶炼部分 爝 程，2 0 0 6 S O ；4 6 一S O ． [ 4 3C a oP ，G a b b i t a sB ，S a l m a nA ，e ta 1 ．C o n s o l i d a t i o no f T i A lP o w d e rb yT h e r m a lS p r a yP r o c e s s e s [ j ] ．A d - v a n c e dM a t e r i a l sR e s e a r c h ，2 0 0 7 ，2 9 3 0 1 5 9 1 6 2 ． [ 5 ] 张碧原．超音速等离子喷涂制备连续梯发热障涂层的工 艺与结构优化[ D ] ．西安西安交通大学本科学位论文， 2 0 0 8 ． [ 6 ] H a nZ h i h a i ，W a n gH a 舔u n ，Z h o uS h i k u i ，e ta l 。T h e r m a l s h o c kb e h a v i o ro fl l a n o s t r u c t u r e df u n c t i o n a l l yg r a d e d t h e r m a lb a r r i e rc o a t i n g sd e p o s i t e db ys u p e r s o n i cp l a s m a s p r a y [ J ] ．K e yE n g i n e e r i n gM a t e r i a l s ，2 0 0 7 ，3 3 6 - - 3 3 8 2 6 2 4 2 6 2 7 。 F 7 ] H a nZH ，W a n gHj ，G u oY T h e r m a lS h o c kB e h a v i o ro ft h eS u p e r s o n i cP l a s m aS p r a y e dC e 0 2 一Y 0 3 一 Z r 0 2F u n c t i o n a l l yG r a d e dT B C [ A ] ．／／P r o c e e d i n g so f t h e2 0 0 7I n t e r n a t i o n a lT h e r m a lS p r a yC o n f e r e n c e [ C ] 。 2 0 0 7 。5 ，B e i j i n g ，C h i n a , 5 1 8 - - 5 2 3 。 4 2 O 2 4 馥 n n 壤 m 一竿看u．∞暑，臻o【III嚣I暂； 警luu．∞E一乞答工等牡事 万方数据