电弧喷涂制备含非晶Fe基涂层图

    【摘要】利用电弧喷涂方法在Q235低碳钢基体上制备了高非晶含量的铁基涂层，用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对涂层的显微组织结构特征进行了研究。结果表明，涂层呈典型的层状结构，致密度高，孔隙率低，氧化物含量较少。非晶的形成是由于喷涂液滴快的冷却速度及合适成分的粉芯丝材成分造成的。

    非晶态合金俗称金属玻璃，因其成分均匀，不存在晶体缺陷，如位错、晶界和成分偏析等，具有独特而优异的性能，如高强度、高韧性、高硬度和极高的抗腐蚀性能等，是一类很有发展前途的新型金属材料。目前，非晶合金的主要形态有薄带、细丝和粉末等，厚度或直径只有数十个微米，应用范围很有限。采用现代先进热喷涂技术，如等离子喷涂、超音速火焰喷涂、爆炸喷涂和电弧喷涂等制备表而非晶涂层就是对非晶合金制备技术的新开拓。电弧喷涂与其他热喷涂技术相比具有设备简单便宜、涂层性能优异和适宜现场原位大面积施工等优点，利用电弧喷涂技术制备非晶涂层具有广阔的工程应用前景。

    本文采用电弧喷涂的方法制备了Fe基高非晶含量涂层，并从热力学方面对非晶的形成进行了分析。

一、试验方法

    试验采用JZY-250型电弧喷涂设备制备了一种耐磨损Fe基非晶涂层，喷涂材料为自行设计研制的Fe基复合粉芯丝材，直径为2mm。基体材料为Q235低碳钢，尺寸为56mm×25mm×5mm。喷涂前试样表面用汽油或丙酮清洗，然后用棕刚玉喷砂粗化处理。电弧喷涂的工艺参数为：电弧电压28～32V，工作电流160～200A，压缩空气压力0.5～0.6MPa，喷涂距离100～200mm。

    采用HXD-1000显微硬度仪测量试样显微硬度，试样为经打磨、抛光的金相试样，涂层厚度约为1.0mm，载荷为100g，时间为15s，试验结果取5点平均值。

    采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对涂层进行物相分析，衍射条件为CuKα靶,40kV和120mA。试样尺寸为10mm×10mm，涂层厚度为1.0mm。采用JEM-2000FX型透射电子显微镜(TEM)观察涂层中的非晶相。

二、试验结果与分析

    图1是Fe基非晶涂层的XRD图谱。由图1可见，在衍射角40。～50。位置上出现了表征非晶相的漫散射衍射峰，说明涂层中存在一定量的非晶。同时在漫散包上还叠加着晶化相衍射峰，这说明涂层中除了含有一定量的非晶相，还有一部分晶化相存在，涂层晶体相主要由(Fe，Ni)、Fe-Cr基体相和Fe₂硬质相及少许Fe的氧化物组成。

    图2为Fe基非品涂层横截面的金相组织。Fe基非品涂层组织均匀，结构致密，孔隙率低，具有比较典型的层状结构形貌。涂层主要由浅灰色层状组织和深成色层状组织组成。分析认为，浅灰色层状组纵为(Fe，Ni)、Fe－Cr基体相，深灰色层状组织为Fe₂B硬质相。采用HXD-1000显微碰度仪测量显示，深灰色物质显微硬度值在2000～2400HV0.1之间，从而进一步证叫深灰色物质为Fe₂B硬质相。氧化物是影响涂层非晶相含量的一个重要因素，由图2可以发现涂层中氧化物含量很少，只在少量肺部区域观察到位于变形粒子边界的氧化物薄层。

    图3所示为喷涂层TEM形貌及其选区电子衍射花样。衍射花样由较宽的晕及漫散射环组成，为非晶态的典型衍射花样，图3中无衬度灰色区域为非晶相。非晶形成能力(glass－forming ability，GFA)即材料形成非晶的能力，常用约化玻璃转化温度来量化，即

    T_rg=T_g/T_m

式中T_g——材料的玻璃转化温度，反映了形成晶所需的过冷温度；

T_m——材料的熔点；

T_rg——决定形成非晶合金的临界冷却速度。

    快淬过程中，要在冷却速度10。～10。K/s范围内获得非晶合金，T_rg必须大于0.5，最好大于0.6。由于T_g受合金成分的影响不大，T_m就成为制约T_rg的主要因素，所以非晶合金的成分总是在合金相图中Tm异常低的范围内寻找，例如共品成分范围内。

    一股认为，典型的非晶合金至少由一种过渡金属(Fe、Co、Ni等)或贵金属与一种类金属元素(B、C、N、Si、P等)组成。组元越多，合金能够选择有效的晶体结构的机会越少，形成非晶态的机会就越多。非晶的晶化要求组成元素的原子重新分布以形核和长大，而对于多组元合金，这种“混乱”使各元素的浓度难以同时满足形核所需的成分，晶化变得困难，增加了非晶态合金的稳定性。本试验采用的Fe、Cr、Ni、C和B多组元的丝材，满足了形成非晶的成分条件。但所采用的Fe基丝材中，组成元素的原子半径为：Fe：1.72，Cr：1.85，Ni：1.62，C：0.91，B：1.17，这种半径不同的金属－类金属的原子组合使粉末具有高的非晶形成能力。类金属含量的增加也会增加非晶的形成与稳定性。加入小原子尺寸的元素使体系原子尺寸差增大，体系混乱度增强、长程无序性增加。硼和碳的加入可以降低合金的熔点，还能扩大固相和液相之间的距离。因此，在本试验中丝材的元素纰成有利于形成非晶相。X射线、透射电镜都已表明非晶的存在。

三、结语

    (1)采用电弧喷涂工艺成功地制备了一种含非晶相的Fe基非晶涂层。

    (2)Fe基非品合金涂层各个区域的组织均匀，孔隙率小，涂层呈典型的层状分布，形成了以机械结合为主的结合方式。

    (3)非晶的形成取决于快的冷却速度和原始粉末中过渡族金属(Fe、Cr、Ni)和类金属(C、B)的组合。