铁基非晶涂层的研究进展

王悦，李慧*，梁精龙，邓孝纯（华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 ）

摘要：综述了国内外铁基非晶涂层的制备工艺及研究进展，介绍了等离子喷涂、超音速火焰喷涂和激光熔覆3种方法及其工艺条件和优缺点，指出了未来的发展方向。

关键词：铁基非晶涂层；等离子喷涂；超音速火焰喷涂；激光熔覆；综述铁基非晶涂层；等离子喷涂；超音速火焰喷涂；激光熔覆；综述

DOI：10./j.1004-227x.2019.19.009

基金项目：国家自然科学基金（，）；华北理工大学校级大学生创新创业训练项目（X）。

铁基非晶合金的结构长程无序、短程有序，无晶粒及晶界，具有良好的力学和磁学性能，如高强度、高硬度，优异的耐磨、耐腐蚀和软磁性能，且成本较低，被广泛应用于航空航天、电子化工、传感器等工业领域[1-2]。然而铁基非晶合金受制备工艺与室温下固有脆性的限制，在实际的生产应用中有较大的局限性，因此铁基非晶涂层具有更大的吸引力[3-4]。

目前，制备铁基非晶涂层的方法有等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、爆炸喷涂、激光熔覆等[5-7]。本文针对等离子喷涂、超音速火焰喷涂和激光熔覆3种方法加以介绍，并分析一些工艺条件对涂层组织及性能的影响。

1 等离子喷涂制备铁基非晶合金涂层

热喷涂(thermal spraying)制备非晶涂层是通过热源(电弧、火焰等)将喷涂材料迅速加热到熔融或半熔融状态，在高压气流或焰流的条件下加快熔融速度，然后借助高速飞行的喷涂粒子撞击较冷的基体表面使其扁平化凝固，凝固过程中的冷却速率为105 ~ 107 K/s，从而获得高性能的非晶涂层。等离子喷涂(plasma spraying)技术的热源为等离子弧[8-9]。

米鹏博等[10]采用等离子喷涂技术在45钢表面制得孔隙率低、稳定性良好的铁基非晶涂层。在基体表面以棕刚玉进行喷砂处理，清洗表面油污并形成清洁的粗糙表面，然后使用功率为30、35和40 kW的等离子喷枪喷涂铁基非晶粉。他们发现涂层的晶化程度随功率的增大而增大，晶化相为Fe2B与Cr9Mo21Ni20，涂层的摩擦因数由30 kW时的0.375 8增大到40 kW时的0.407 1，显微硬度(载荷0.2 kg下测试)也由1 261.0 HV增大到1 562.7 HV。

王海军等[11]使用自主研发的高效能超音速等离子喷涂系统(HEP Jet)制备Fe基非晶涂层，也是首先对45钢进行喷砂处理(采用粒径为700 μm的棕刚玉)，喷砂后2 h内喷涂铁基非晶粉(非晶含量为82.5%)。他们获得的最佳喷涂参数组合为：喷涂距离70 mm，氩气125 L/min，功率55 kW，送粉速率55 g/min。使用该工艺得到的涂层非晶含量高达90.2%。

H. Zhang等[12]采用由高压氩气雾化所得不同粒径的Fe43Cr16Mo16C10B5P10粉末，通过大气等离子喷涂在316L不锈钢表面制备了铁基非晶涂层。他们发现随着原料粒径的减小，涂层孔隙率降低，结构更加紧密，显微硬度升高，硬度与弹性模量之比(H/E)逐渐增大且远高于基体，表现出优良的耐磨性。大量研究表明：H/E值越大，材料的耐磨性能越好[13]。

叶福兴等[14]在喷涂电压55 V、喷涂电流550 A、喷涂距离110 mm的条件下，采用大气等离子喷涂技术制得孔隙率为1.19%，显微硬度为717 HV的铁基非晶涂层。韩建军等[15]采用等离子喷涂技术在锅炉管束受热面(304H耐热钢)上制得结构致密、无裂纹、孔隙率较低的铁基非晶涂层。该涂层在80 °C的1 mol/L H2SO4溶液中的腐蚀电位相对于基体正移了0.32 V，表现出较好的耐腐蚀性能。

黄丹等[16]利用等离子喷涂及多路异位同步双送粉技术制得ZrO2陶瓷/铁基非晶复合涂层。其实验结果表明，当ZrO2的添加量为20%(质量分数)时，涂层的孔隙率低，结合强度好，硬度高达1 443.422 HV。

等离子喷涂温度高(超过10 000 °C)，可熔化多数高熔点材料，冷却快，制得的涂层结构致密，结合强度好，非晶程度高，但成本相对于其他方法而言较高[17]。

2 超音速火焰喷涂

超音速火焰喷涂技术(HVOF或HVAF)通过高压燃气(丙烷、丙烯等)与高压氧气混合燃烧释放的热量，产生超音速焰流，将材料喷涂至基体表面而形成涂层[18-19]。

Y. Peng等[4]先将不同尺寸的氧化铝喷涂到AISI 1045低碳钢基体表面，获取不同的基材粗糙度，再采用HVOF热喷涂系统将高压氩气雾化Fe48Mo14Cr15Y2C15B6非晶粉末制成无定形涂层，喷涂距离为350 mm，粉末进料速率为30 g/min。结果发现：随着粗糙度的增加，涂层与基体表面形成高机械互锁，结合强度增大；随着涂层厚度的增加，残余压应力减小，涂层与基体表面逐渐剥离，结合强度降低。

G. Wang等[7]将高纯度氩气雾化的Fe42.87Cr15.98Mo16.33C15.94B8.88非晶粉末喷涂到45钢基体上，喷涂距离为250 mm，粉末输送速率为5 r/min。他们得到的非晶涂层结构致密，孔隙率只有1.5%，抗腐蚀性能卓越。

通过高速氧燃料获得的非晶涂层不可避免地会出现孔隙缺陷，直接影响了涂层的使用寿命。Y. Wang等[20]对304不锈钢基材进行喷砂处理后，将在1 600 K的氩气雾化的条件下所制备的铁基非晶粉末(粒径为15 ~ 45 μm)喷涂在其表面(喷涂距离250 mm，进料速率20 g/mm，移动速率800 mm/s)，然后分别使用AlPO4、Na3SiO4和铈盐来封闭涂层，使涂层的耐腐蚀性均得到明显增强，维钝电流密度比未密封涂层小约一个数量级。AlPO4涂层在实验中易于形成具有保护性的钝化膜，涂层的显微硬度从800 HV增大到1 000 HV；Na3SiO4涂层易于形成凹坑，造成表面的破坏，因此不宜用于长期的腐蚀防护；铈盐处理因存在微裂纹而只对基体起到临时腐蚀保护的作用。

M. M. Liu等[21]采用文献[20]的喷涂工艺制备了Fe54.2Cr18.3Mo13.7Mn2.0W6.0B3.3C1.1Si1.4涂层，并对其进行研磨、脱脂和干燥处理，再用由Al(OH)3、H3PO4和H2O按照质量比1∶4.2∶1配制而成的封闭剂进行处理。他们考察了传统浸渍封闭(CIS)、超声波激发封闭(UES)和真空封闭(VS)3种技术的封闭效果，发现在不同涂层的同一深度中密封剂的浓度大小顺序为：UES涂层 > CIS涂层 > VS涂层。在3.5%的NaCl溶液中，3种封闭涂层的阳极电流密度均有所下降。超声波能使大量的封闭剂进入孔隙内部，故UES涂层表现出最佳的耐蚀性，其次是CIS涂层和VS涂层，且UES涂层的表面稳定性最好，适用于长期腐蚀防护。

超音速火焰喷涂技术工艺简单，喷涂速率快，减少了粉末在空气中的氧化，涂层的结构致密(孔隙率一般低于2%)，结合强度高，是目前应用最广泛的喷涂技术之一[22]。

3 激光熔覆

激光熔覆(laser cladding)技术是指在构件表面添加熔覆材料，利用高能激光束令基体表面和熔覆材料同时熔化后快速凝固，在基材表面形成具有一定性能涂层的工艺方法[23-24]。

G. K. Huang等[25]为了在45钢上激光熔覆耐蚀性铁基非晶合金涂层，将30 ~ 100 μm的Fe37.5Cr27.5C12B13Mo10粉末置于粉末料斗中，然后在氩气流的作用下通过4个同轴喷嘴以20 g/min的速率将其注入由激光束产生的熔池中，搭接率为30%。他们先用导热硅胶将45钢粘在水冷的铜板表面以降低基体温度，然后进行三重激光扫描以避免裂纹的产生：第一次激光扫描45钢基体，激光功率600 W，激光束相对于基体表面的移动速率为200 mm/min；第二次激光扫描产生无定型涂层，2 000 W，600 mm/min；第三次激光扫描令非晶涂层内形成的热应力释放，1 400 W，360 mm/min。由此制得的铁基非晶涂层附着力好，无裂纹，具有优良的耐腐蚀性能[26]。

王勤英等[27]在氩气保护的条件下，将30 ~ 50 μm的铁基非晶粉末熔覆到Q235钢基体上，激光功率700 W，熔覆速率6 mm/s，制得的涂层无明显的裂纹及孔洞，硬度高达850 HV(载荷为0.1 kg)，约为Q235钢硬度的4.7倍，且耐蚀性明显增强。

龚玉兵等[2]将

Fe44.72Co8.57Cr14.95Mo26.9C3.2B1.28Y3.01块体合金作为熔覆材料，选用Q235钢为基体，以17.6 W的激光功率形成了与基体表面具有冶金结合的涂层，其平均显微硬度为1 330 HV(约为基体的9倍)，在3.5% NaCl溶液中的耐腐蚀性能明显高于316L不锈钢，且随着激光功率的增大，基材熔深增加，熔覆材料与基体发生冶金结合的部分占涂层的比率(简称稀释率)升高，非晶相的种类和含量相应减少。

许妮君等[28]将铁基耐磨合金DL2501和DL155熔覆到45钢上制得梯度熔覆层，其表面连续完整，无气孔和裂纹，硬度高达7.48 GPa，为基体硬度的3.74倍，且在相同的工作条件下，熔覆层的磨损质量为45钢的25% ~ 50%，表现出优异的耐磨性能。陈菊芳等[29]在45钢表面激光熔覆Fe901合金，熔覆层组织均匀致密，平均硬度为718 HV，约为基体硬度的2.67倍，且随着磨损试验中载荷的增加，它相对于45钢的耐磨性能不断增强。

激光熔覆工艺的激光束能量密度高，便于涂层与基体形成良好的冶金结合，极快的冷却凝固速率促进了非晶相的形成，耗材少，且能有效提高基体材料的性能[30]。

目前，国内外学者已经对铁基非晶涂层的制备方法进行了较为深入的研究。热喷涂工艺应用范围广，制得的涂层综合性能良好，但存在孔隙缺陷、结构表面应力不均的状况，且涂层不可避免地受到氧化，难以实现高性能非晶涂层的工业化生产。激光熔覆工艺具有快熔快冷的特点，涂层与基体结合良好，但激光工艺参数影响涂层组织和性能的机理尚不明确。如何进一步改进传统的制备工艺，降低生产成本，扩大铁基非晶涂层在实际工程中的应用，还需要进行大量的研究。

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