非晶涂層的制備、結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、非晶合金由于其高強度/高硬度、高彈性極限、以及優(yōu)異的防腐耐磨性能而成為一種有潛在應(yīng)用前景的新型金屬材料。然而，當(dāng)前非晶合金作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的主要制約是有限的臨界非晶形成尺寸有限和較差的室溫塑性變形能力。而制備非晶涂層將是解決以上缺點的一種有效途徑。本論文基于性能優(yōu)異的Fe基非晶體系，以熱噴涂技術(shù)制備高性能非晶涂層為研究目標(biāo)，分別利用X射線衍射分析儀（XRD）、差示掃描量熱儀（DSC）及差熱分析儀（DTA）、光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯

2、微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、納米壓痕儀（Nano Indenter）、顯微維氏硬度計（Vickers Indenter）、摩擦磨損試驗機（Friction/Wear Testing Machines）以及電化學(xué)工作站（Electrochemical Workstation）等實驗手段系統(tǒng)研究一種Fe基非晶涂層的微觀結(jié)構(gòu)及其耐腐蝕性能，耐磨損性能以及潤濕性能。具體內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　采用超音速火焰噴涂技術(shù)（HV

3、OF）制備了Fe48Cr15Mo14C15B6Y2（名義成分）非晶涂層，并研究了噴涂粉末粒徑對涂層結(jié)構(gòu)及其在模擬海水環(huán)境中的腐蝕行為的影響。實驗結(jié)果表明：所制備的涂層基本由單一非晶相組成，僅在涂層內(nèi)的氧化物界面中存在少量的納米晶。非晶涂層在3.5％NaCl溶液中具有十分優(yōu)異的耐腐蝕性能。粉末粒徑對非晶涂層的結(jié)構(gòu)與耐腐蝕性能有顯著的影響，表現(xiàn)為使用較小粒徑粉末制備的涂層展現(xiàn)出更為致密的結(jié)構(gòu)；而采用較大粒徑粉末制備出的涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐

4、腐蝕性能。分析認(rèn)為非晶涂層的耐腐蝕性能與涂層的潤濕性及氧含量緊密相關(guān)，而潤濕性主要受氧含量和涂層粗糙度的影響。具備低氧含量和疏水特性的非晶涂層表現(xiàn)出更加優(yōu)異的耐腐蝕性能。
　　為了深入揭示非晶涂層腐蝕機制，采用高分辨透射電鏡（HRTEM）與納米束X射線能量色素譜分析技術(shù)（Nano-beam EDX）研究了非晶涂層在NaCl溶液中的點蝕機制。結(jié)果表明，點蝕并非發(fā)生在文獻中普遍認(rèn)為的涂層氧化物界面處，而是起源于存在界面附近寬度約為10

5、0nm的非晶基體區(qū)域中。納米束成分分析結(jié)果表明氧化物界面外存在一個狹小的貧Cr區(qū)。HRTEM實驗結(jié)果表明界面中主要存在兩種富Cr的氧化物：(Cr，F(xiàn)e)2O3和FeCr2O4。由于噴涂過程中的氧化效應(yīng)使得富Cr氧化物在界面處的析出，從而導(dǎo)致界面兩側(cè)貧Cr區(qū)的產(chǎn)生。根據(jù)菲克定律的半無限長薄膜解計算出貧Cr區(qū)的理論寬度為65-73nm，與我們的實驗值十分接近。更為有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)雖然氧化物界面兩側(cè)均存在同等程度的貧Cr區(qū)，而點蝕卻僅僅發(fā)生

6、在單側(cè)貧Cr區(qū)。這主要是由于富Cr的氧化物與貧Cr區(qū)的電偶效應(yīng)造成。
　　在室溫條件下，采用Al2O3作對偶件，用往復(fù)式球-盤式摩擦磨損實驗研究了非晶涂層的摩擦磨損行為。結(jié)果表明，F(xiàn)e基非晶涂層具有較高的維氏硬度達到1000Hv，較低的摩擦系數(shù)0.3-0.4，以及十分低的磨損速率（3-19）×10-5mm3/(Nm)。其耐磨性能優(yōu)于AISI1045低碳鋼、304不銹鋼，以及等離子噴涂制備的Al2O3涂層與電鍍硬Cr涂層。在所研究的

7、實驗條件范圍內(nèi)，滑動速率對Fe基非晶涂層的磨損速率的影響更為明顯。在干態(tài)摩擦條件下，F(xiàn)e基非晶涂層的磨損機制主要為氧化磨損，主要是由于摩擦過程產(chǎn)生的較高局部閃溫以及合金元素較大的氧親和力。此外，F(xiàn)e基非晶涂層還在層狀界面處發(fā)生分層剝離磨損。
　　通過調(diào)控超音速火焰噴涂參數(shù)制備出了具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與粗糙度的非晶涂層，并系統(tǒng)研究了非晶涂層的潤濕行為。結(jié)果表明，當(dāng)涂層表面粗糙度小于5~6μm時，涂層呈現(xiàn)親水性；當(dāng)粗糙度大于9μm時，涂層