表面205080705丁亚林

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课程名称：材料表面工程题目：非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用姓名：丁亚林班级：金材081学号：205080705 非晶、纳米晶涂层的制备技术及其应用0引言非晶纳米晶合金新型材料具有一些奇特的性能，例如，高强度、高硬度、高电阻性、高韧性、良好的耐磨性和耐蚀性等，而且具有优良的磁学性能和超导电性[1]。在机械、电子、航空、航海和通讯等各个行业都具有广阔的应用前景。但是，由于制备工艺的限制，至今非晶纳米晶合金在实际中仍还没有得到大范围推广应用，其性能优势远未能够充分发挥出来。目前，利用先进的热喷涂技术是对非晶纳米晶合金制备技术的新开拓，非晶纳米晶复合涂层技术发展迅速。电弧喷涂技术具有优质、高效、低成本等特点，近年来在材料制备与成形一体化方面发挥着重要的作用。电弧喷涂具有非平衡的熔化加热快速凝固特点，熔融的喷涂粒子在扁平化过程中具有极高的冷却速率，容易获得非晶纳米晶复合涂层，而且适宜于大面积制备，为非晶纳米晶复合涂层材料的广泛应用提供了技术基础[2]非晶或者非晶一纳米晶复合相材料由于有比普通的晶态合金更高的比强度。所以己成为学者们研究的热点。通常的非晶态合金从热力学角度讲是处于高自由能态，因为非晶态合金的结构是亚稳态。在非晶形成的过程中其内部原子来不及充分周期排列变成规则晶格，但是在一定条件下(温度或压力)，其原子会进行重新排列与组合，来降低化学位，转变成稳定的晶体，这个从亚稳态的非晶态转变成为稳定的晶体的过程叫做晶化。想要获得既不是单相非晶又不是完全结品相而是纳米结晶粒子与非晶基体共同存在的复相结构，可以通过控制熔体的急速冷却速率而得到。使非晶全部或者部分晶化是控制一定的退火时间或退火温度完成的。而且生成的是纳米级的晶粒尺寸，进而形成非晶基体上均匀弥散纳米颗粒的复合相组织，起到的是固溶强化作用。。1非晶纳米晶复合涂层的制备多相系统复合材料和单相材料相比较，多相系统复合材料具有较高的强度，较好的韧性和较好的抗磨损性能，在普通工件材料基体上制备出非晶一纳米晶复合材料一涂层是具有极大理论和工业价值的。纳米复合材料涂层的研发设计有多种形式，其中最重要的一种是在非晶基体上镶嵌纳米晶相，从而组成非晶一纳米晶复合材料‘涂层I#2]。非晶一纳米晶复合涂层因为其具有良好的力学性能，电磁学性能和光学性能等而引起广泛关注。就目前而言，非晶一纳米晶复合材料的主要制备方法有电爆炸，汽相沉积，激光熔覆，超音速火焰喷等方法。合金体系的选择和材料性能及工艺关系，非晶一纳米晶复合材料的微观组织与性能间的关系，非晶一纳米晶相的形成机制，多相结构与纳米结构对复合材料的影响等还需要进一步探讨。非晶一纳米晶复合材料应用发展的关键是能不能运用简单的工艺制备出组织均匀、致密、热稳定性好的非晶一纳米晶材料。2非晶纳米复合涂层的研究与发展 从以上所述制备方法的发展可以看出，非晶一纳米晶材料的制备技术是逐渐完善的，正处于发展阶段，还有许多理论与实际问题等待解决。最近二十年来，国内外很多科学家选用适合的喷涂材料，获得了大面积的，有较大厚度的非晶合金涂层，采用爆炸喷涂、超音速火焰喷涂(HVOF)、电弧喷涂及等离子喷涂等工艺，有效地提高了材料的耐一磨与耐蚀性能[43]，对热喷涂制备非晶一纳米晶涂层进行了研究。传统涂层材料经常出现的一些问题例如:牺牲其韧性为代价才能提高涂层硬度，造成了脆性增高、涂层与基体的结合性与匹配性降底、涂层容易开裂、硬质相容易脱落等。纳米结构材料作为涂层材料的新秀，进一步提高涂层的综合性能。有望解决传统涂层材料经常出现的一些问题。等离子喷涂工艺方面，樊自拴等[44，45〕用等离子喷涂方法制备了铁基和铝基非晶一纳米晶复合涂层，且研究分析了非晶一纳米晶复合涂层的电化学性能和组织[46」，结果表明涂层中纳米尺寸的硬质相均匀弥散分布在非晶基体中，涂层组织致密，孔隙率较低，呈典型的层状结构组织，在3.5%NaCI溶液中腐蚀浸泡时，M。基非晶一纳米晶涂层存在钝化现象，自腐蚀电流6.469件A/cmZ，腐蚀速度0.879mm/a，对于Crl3Ni7Mo不锈钢，其耐蚀性提高了14.3%。向兴华等人运用等离子喷涂制备了Fe基非晶涂层，并对非晶涂层的成形特征[47]、磨损与电化学腐蚀特征[48]、涂层在晶化过程中的硬度和组织变化[40]以及涂层的多晶型晶化过程[50]进行了系统的研究，研究结果表明涂层致密度越高，氧化物含量越少，在非晶相组织中存在极少量尺寸大概是为2林m的淬态结晶核，涂层和基体结合强度能够达到28MPa，显微硬度为900HV上下，腐蚀浸泡实验结果表示，涂层在包含有OH一的溶液中几乎不被腐蚀，抗Cl一腐蚀的能力都要高于抗504一腐蚀的能力。skul。v等人采用等离子喷涂制备出含非晶相的镍基涂层，并研究了涂层的相组成，耐一磨性，硬度等15’」，结果表明涂层由硼化物，Y一Ni固溶体和非晶相组成，且涂层具有高硬度和良好耐磨性;Young等人[52〕在铝基体上利用低压等离子喷涂制备高性能A12O:涂层时，研究发现涂层是多晶晶核嵌入非晶基体组成层状的组织;Sordelet等人研究了氧气对等离子电弧喷涂含非晶的cu46Ti32zr12Ni7si涂层性能的影响153]，研究结果表明在大气中喷涂成的非晶涂层可以发生明显的去玻璃化效应。在超音速火焰喷涂技术方面，Parke:等人[54]利用高速火焰喷涂技术(HVOF)喷涂非晶Fe64Sil5Bg粉末制备出300件m厚的非晶铁磁涂层。Liu等学者【55]运用超音速火焰喷涂技术制备出Al/Ti涂层，发现制备出的涂层性能要优越于等离子喷涂方法制备的涂层，涂层具有良好的抗电化学腐蚀性能和耐磨性能，是由于涂层中的细晶(一部分为纳 米晶)使涂层具有高机械性能。学者Sobolev等人[56]探讨了HvoF技术中非晶和纳米晶形成的影响因素，对涂层和界面的结构性能的影响因素进行了数学模拟，对涂层第一层的固化速度，冷却速度和温度梯度进行了研究后，指出影响结合力最大的权重因素为涂层和基体的界面结构。学者Gang等[57]运用高速火焰喷涂Hv0F技术制备出了Fe一40AI金属合金涂层，试验结果说明，涂层是由非晶A1203，Fe3AI，纳米晶Fe的氧化物等组成的混合结构，通过调整各项工艺参数来实现优化涂层的耐蚀性和硬度。邵贝羚等[58味日用HvoF方法在cu基体上喷涂Ni粉，产物为Ni微晶涂层，Cu纳米晶，NIO非晶。通过对涂层界面的微结构和界面的结合强度进行的研究，他们认为选择不同的燃气，喷粉速度，喷涂距离等工艺条件，针对不同的涂层和衬底材料，将是改善涂层与基体结合性能的主要途径。otsubo等学者[59}利用等离子喷涂(LPPS)，高能等离子喷涂(HPS)，高速火焰喷涂(HVOF)分别制备了Fe一Cr(一Mo)一C(一P)金属合金非晶涂层，实验结果表明，LPPS涂层中只含有非晶相，而其它HPS涂层和HVOF涂层含有非晶与晶体相的混合结构，涂层都具有比较高的硬度。Horlock[60]采用高速火焰喷涂高温自蔓延粉末成功了制备Ni(Cr)一TIB:涂层中含有非晶相;学者chefigui等人[6‘]对等离子喷涂和超音速火焰喷涂制备FeNb涂层进行了比较，比较研究发现等离子喷涂的涂层中不含有非晶相，而超音速火焰喷涂制备的涂层中含有一定量的非晶。学者Dent[02]、stwart[03，64]等人对超音速火焰喷涂制备技术(HvoF)作了详实的研究，研究结果表明涂层中含有非晶相和纳米晶相的小颗粒，是因为超音速火焰喷涂具有很高的冷却速度，涂层中刁‘形成了非晶相，但是析出纳米晶和硼化物硬质相的现象在连续热喷涂过程所带来的退火效应造成的;涂层具有高的耐蚀性能以及较高的硬度是山于涂层中的硬质相。这些研究结果运用各种热喷涂技术制备的非晶一纳米晶涂层的可以提高涂层的硬度、对提高防腐蚀性能具有重大意义。在爆炸喷涂技术上，Jin等学者[65一68J研究了Fe一cr一B体系合金涂层的耐磨性和微观组织的关系，研究结果表明，该合金体系涂层具有优异的防腐性能和抗磨性能。3电热爆炸高速喷涂实验原理及过程电热爆炸是说在一定量的气体介质下，通过在金属导体_L瞬间实施直流高压，在原料丝内部形成10“一107A/cmZ的电流密度。使之爆炸获得直径为几十至几百纳米的粒子或蒸汽，并且以极高的速度直接喷涂到基体材料表面。金属粒子或蒸汽在基体表面上急速冷却进而形成涂层。目前，成为研究热点的是运用电爆炸法制备超细微粉的这种新技术。虽然在几十年前就有很多学者详细深入研究了电爆炸金属丝的行为，但是对于电爆炸的实验原理与机理研究方面还没有完全清楚。 电热爆炸喷涂系统主要有四个部分组成。分别是电爆炸室，电容器，高压直流电源储能，三电极开关组成，如图2一1所示。放电电容器组的容量是1600林F，电容器的最高充电电压是skV，最大储能可达ZOkJ。当三电极开关闭合时电容器放电，在电路中产生相当的大电流。金属箔或丝在几十至几毫秒内被迅速加热到汽化温度而汽化，从喷射腔迅速喷射至金属材料表面并快速冷却。对于容易氧化的合金需要附带抽真空与充气系统使得电爆炸室内充满惰性气体。所要喷涂的材料被制成箔片(用线切割)或丝，放置于爆炸室腔内，金属箔或丝与RLc串联。在电热爆炸过程中，电爆炸的导体在极短时间内(通常为10一100林s)发生相变。同时能够把电爆炸全过程当做是常压加热过程，把爆炸过程分为以下几个阶段:a.固态加热阶段放电开始后，金属丝从室温被加热至熔点由于在电流焦耳热的不断作用下。在这一阶段，温度升高，金属丝的电阻也随之增高;b.熔化阶段在熔化阶段为等温过程，温度为金属熔点并保持。金属丝处于固、液两相平衡状态;c.液态加热阶段温度随液态加热阶段电阻的慢慢上升而上升，直到沸点;d.气化阶段温度保持在沸点，金属丝截面积迅猛扩大。电阻快速上升一由于蒸汽几乎不导电，最后到达整个电爆炸过程中电阻的最高点;5.电弧等离子体生长阶段金属蒸汽在电阻到达最高点后开始电离，电阻迅速下降，温度不断增高。在这一阶段是以金属蒸汽完全电离为结束点的。在这一时期中，后续的电流以及周围的环境主要决定电阻;6、爆炸阶段金属蒸汽的膨胀瞬时被箍缩效应和惯性作用限制，所以，被约束的爆炸力变成了一个极其高的压力。在高压蒸汽的快速膨胀导线爆炸产生冲击波的同时，金属液滴和蒸汽也被高速地分散，熔融粒子高速喷向基体进而形成涂层。4应用前景非晶涂层一定会成为热喷涂涂层防腐、耐磨领域研究和应用的一种具有良好应用前景的材料。在之前众多学者研究的结果表明，运用热喷涂技术制各非晶涂层不仅是在理论上具有非常高的研究价值，并且在技术上也是可行并且具有很大应用价值的。参考文献【1】JKramer.NonconduetingModifieationofMetals【J].JournalofAnnlnPhysik，1934，19(l):37一64【2】SchuhCA，HufnagelTC，RamamurtyU.Mechanicalbehaviorofamorphousalloys[J].ActaMater.，2007，55：4067-4109.【3】WKlemel:t，HRWillens，PDuwez.Non一CrystallineStruetureinSolidified Gold一SilieonAlloys[J」.Nature，1960，187(4740):869一870【4】一长崎诚三，平林真编著，刘安生译.二元合金状态图集〔M」.北京:冶金工业出版社，2004【5】卢柯，周飞.纳米晶体材料的研究现状[J].金属学报，1997，31(l):99一106[6]李刚.Zr基非晶合金激光熔覆与诱导自蔓延合成[D].大连二大连理工大学博士【7】梁秀兵，徐滨士，魏世丞，等.热喷涂亚稳态复合涂层研究进展[J].材料导报，2009，23（3）：1-4.