熱噴涂鐵基非晶涂層的研究進展

陳文波，焦 健，唐定兵

（中國電子科技集團有限公司第九研究所（西南應用磁學研究所），四川 綿陽 621000）

非晶材料是一種亞穩態材料具有長程無序的特殊結構同時不存在位錯、晶界等晶體缺陷。因此，該類材料具有各向同性特征同時兼備高強度、高韌性和良好耐磨耐蝕性能[1]。非晶材料在其制備過程中需要通過快速冷卻的方式把亞穩態組織保留下來，因此，通過目前已有手段制備非晶塊體材料的尺寸極為有限。涂層材料作為一種近二維材料，其厚度方向尺寸小而其他方向尺寸可根據基體材料尺寸任意變化，將非晶材料以涂層形式沉積在基體表面能夠最大限度地降低其尺寸方面的限制[2]。鐵基非晶涂層除了具有一般非晶合金所具備的特征外，還兼有成本低和優異的功能性能等特征。因此，鐵基非晶涂層的制備受到了研究人員的廣泛關注。熱噴涂具有可噴涂材料范圍廣，生產效率高，涂層成分和厚度精確可控且不受基體尺寸形狀限制等特點是一種制備鐵基非晶涂層的重要方法[3]。因此，本文首先介紹了熱噴涂領域常用的幾種涂層制備方法，并從涂層成分調控和性能研究等方面針對熱噴涂制備鐵基非晶涂層的研究進展進行了綜述和展望。

1 熱噴涂技術

涂層材料的熱噴涂沉積過程中，粉末原料在熱源的加熱作用下形成熔化或半熔化狀態的熔滴并加速，之后熔滴以一定速度撞擊基體并在基體表面堆疊快速凝固成涂層。根據熱源加熱原理的不同，熱噴涂技術可分為等離子噴涂、超音速火焰噴涂、電弧噴涂和爆炸噴涂等[4-6]。

1.1 等離子噴涂

等離子噴涂技術將等離子束流作為加熱源，將噴涂粉末加熱至熔融狀態，再高速地噴射并以極高的冷卻速率在基體表面凝固。等離子噴涂過程中由于加熱源溫度極高且熔滴飛行速度極快，等離子束流又有較高的溫度可與基體間形成較大的溫度梯度，為非晶涂層的形成提供了必要而有利的條件。

1.2 超音速火焰噴涂

超音速火焰噴涂噴射出的焰流速度可高達103m/s。超音速火焰噴涂利用燃料與高壓氧氣在燃燒室或特殊噴嘴結構中進行的混合、燃燒，將噴涂粉末加熱到熔化或半熔化狀態再高速地從噴槍中噴射出，在工件表面上沉積形成涂層。與火焰的加熱過程相比，超音速火焰噴涂過程中，粉末原料在高壓氣體作用下被賦予的動能在涂層的沉積過程中占據主導地位。

1.3 電弧噴涂

與等離子噴涂和超音速火焰噴涂相比，電弧噴涂是出現得較早，是一種被更早研發出來并得以推廣應用的熱噴涂工藝之一。電弧噴涂過程中，以電弧作為熱源來加熱并熔化噴涂材料，利用高速氣流將噴涂材料霧化成尺寸極小的熔滴，再加速熔滴使其撞擊到工件表面形成涂層。由于電弧噴涂的加熱源加熱溫度有限，該技術通常被用于熔點相對較低的金屬涂層的制備，在制備熔點相對較高的陶瓷涂層方面則能力有限。

1.4 爆炸噴涂

爆炸噴涂屬于脈沖式噴涂，噴涂過程中，基體不會持續受到熱量沖擊。因此，利用爆炸噴涂制備的涂層的化程度較低，具備較高的非晶度[7]。

2 熱噴涂制備鐵基非晶涂層的研究進展

2.1 成分調控

鐵基非晶合金的典型成分特征是含一定比例的如B、P、C、Si等類金屬元素。這些類金屬元素的重要作用是促進非晶相的形成，同時，在材料表面形成一定厚度的鈍化膜，進而增強非晶合金的耐腐蝕性能。目前，國際上在利用熱噴涂制備非晶涂層方面已經開展了大量的研究工作。20世紀80年代，即采用火焰噴涂技術首次成功制備了FeNiPB非晶涂層，引起了科學界的廣泛關注。隨后又進一步對噴涂材料和工藝進行優化，利用超音速火焰噴涂制備出FeCrMoPC非晶涂層，并明確了涂層中的非晶含量與噴涂工藝之間的聯系。

近年來，我國在非晶合金涂層領域研究也取得了大量研究成果。制備出了Fe-Cr-Mo-C-B系的非晶涂層，并針對Cr元素的加入量對該體系的非晶涂層耐蝕性的影響進行了系統研究。

通過考察Si元素的加入量對Fe-Si-B-P-Cu系非晶合金涂層耐蝕性的影響，發現體系中Si含量的增加，能降低電解液中電化學反應發生的程度，使涂層腐蝕速率降低。采用向SAM2X5系列鐵基非晶體系中加入Mo、W、Mn等元素的方法研究其與Cr在涂層鈍化過程中的協同作用發現適量的Mo與W的添加能夠使涂層在較低電位下形成均勻致密的鈍化膜，并且Mn的加入能夠增強涂層在高電位下的鈍化能力，提高涂層的耐蝕性。

2.2 Fe基非晶涂層的性能研究

非晶合金粉末在經過等離子加熱后，其溫度通常可達10000℃以上，而將顆粒撞擊到較冷的基體表面時，其冷卻速度可高達106～108K/s。在FeCrMoCB合金粉末的性能研究試驗中發現所有非晶涂層的XRD譜均呈現非晶相特有的漫散射峰，沒有尖銳的晶化相析出，其表面存在若干的雜質導致了DTA曲線常常出現較為平緩的晶化放熱峰。宏觀上Fe基非晶合金涂層表面相對平坦，涂層表面具有良好的金屬光澤和表面光潔度，沒有明顯的開裂。大多數情況可直接用于工作涂層而無需任何處理，顯示了等離子噴涂在非晶合金涂層制備中的優越性[6]。微觀組織上，涂層多由變形良好的板條狀粒子、未變形的球形顆粒和孔隙組成，且涂層與基體的交界為波浪形的不平整界面，呈現出犬牙交錯的現象。

在Fe基非晶涂層截面組織上，涂層與基體間的界面通常較明顯，但涂層內不存在明顯的裂紋和間隙。在用濃硫酸腐蝕Fe基非晶涂層之后，其涂層顆粒之間出現粘合界面，得出涂層通過重疊顆粒形成并彼此不完全重疊以在扁平顆粒之間形成孔隙。Fe基非晶涂層基本由單一非晶相組成和少量的納米晶組成，其中納米晶僅存在于涂層內的氧化物界面中。粉末粒徑對非晶涂層的結構與耐磨耐蝕性能有顯著的影響，其具體表現為，使用粒徑尺寸更小的粉末制備出的涂層展現出更為致密的結構；而采用粒徑尺寸較大的粉末制備出的涂層表現出更加優異的耐腐蝕性能。同時，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，其中涂層表面的潤濕性主要受氧含量和涂層粗糙度的影響，并且具備低氧含量和疏水特性的非晶涂層表現出更加優異的耐腐蝕性能。

通過研究涂層的耐腐蝕性與表面粗糙度的關系時發現，涂層表面越粗糙，其耐腐蝕性能越差。利用等離子噴涂制備的Fe基非晶涂層的耐磨性能較好，其磨損是一個緩慢逐層磨削過程。

還有研究發現鐵基非晶態合金涂層具有很高的硬度及致密度，主要磨損類型為粘著磨損和疲勞磨損[8]。鐵基非晶態合金涂層具有很好的耐磨性能，主要磨損類型是氧化磨損與剝層磨損。通過將Fe基非晶涂層在H2SO4、HCl和NaOH溶液中進行浸泡腐蝕和電化學分析試驗發現該涂層具有優異的耐腐蝕能力[9]。

3 展望

目前利用熱噴涂技術制備的Fe基非晶合金涂層在防腐、耐磨等領域已得到廣泛應用。熱噴涂Fe基非晶態合金涂層綜合性能優異，但是在涂層中未能非晶化的含鐵晶相，在服役環境中會表現出極差的耐蝕性，這是鐵基非晶涂層固有的弊端。

因此，優化材料配比、摸索最佳噴涂參數并完善非晶合金體系，降低生產成本，拓展熱噴涂非晶合金涂層的應用領域將是一個重要研究內容。