高非晶含量铁基电弧喷涂层的厚成形机理与性能

基于材料制备与成形一体化思路，采用自动化高速电弧喷涂技术在喷涂动态过程中获得优质的铁基非晶厚涂层，拓展块体非晶材料的制备技术手段。采用实验测量与模拟计算相结合的方式，揭示B、Si、Nb元素在铁基非晶厚涂层成形中对减少氧化物含量、提高非晶含量、增强润湿性的科学机理；揭示W、Mo元素在铁基非晶厚涂层成形中对提高强度的科学机理，为铁基非晶厚涂层的制备提供热力学与动力学基础，探索建立铁基非晶涂层制备的"工艺参数－喷涂路径－组织结构－性能质量"之间的基本关系。新型FeCr(Mo/W)BSiNb系非晶涂层与传统铁基晶态涂层相比将具有更为优异的耐磨损、防腐蚀与抗冲蚀性能，在装备零部件再制造修复与镁合金等表面防护领域具有广阔的应用前景。非晶涂层预期性能成本指标：结合强度大于50MPa，非晶含量大于80%，氧化物含量小于2%，孔隙率小于1%，涂层厚度大于10mm，粉芯丝材成本小于50元/Kg。

自主研发了直径为2mm的FeCrBSiMnNbW粉芯丝材，基于自动化高速电弧喷涂系统制备了FeCrBSiMnNbW非晶涂层。利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、透射电子显微镜、纳米压痕仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站、高温冲蚀试验机等先进试验设备，对涂层的微观组织结构、常规力学性能、摩擦磨损性能、电化学腐蚀性能以及抗冲蚀性能进行了研究与分析。. 试验结果表明，Fe基非晶涂层主要由非晶相和αFe(Cr)纳米晶相组成，纳米晶尺寸为30～80nm，且均匀分布在非晶母相上，其非晶相含量（体积分数）为80%；涂层组织均匀，结构致密，孔隙率约为0.8%；涂层具有较高的硬度和弹性模量，其值分别为14.5GPa和210GPa；涂层与钢结构和镁合金材料的结合强度分别为53.6MPa和32.8MPa；涂层具有较高的玻璃转变温度，其值约为550℃。. 摩擦磨损试验表明，干摩擦条件下，载荷为30N时，非晶涂层的相对耐磨性是3Cr13涂层的3倍；油润滑条件下，载荷为10N时，非晶涂层的相对耐磨性是3Cr13涂层的4倍。干摩擦条件下，涂层的磨损失效机制主要为脆性疲劳剥落和氧化磨损；油润滑条件下，涂层的磨损失效机制主要为疲劳剥落。. 电化学试验中，通过对非晶涂层在质量分数为3.5%的NaCl水溶液中浸泡2h的极化曲线分析认为，涂层的耐腐蚀性能要略优于1Cr18Ni9Ti不锈钢涂层。. 抗冲蚀试验结果表明，随着温度的升高，涂层耐冲蚀性能随着提高。常温30º攻角时，非晶涂层的抗冲蚀性能约为45钢的2倍；温度为450℃时，其抗冲蚀性能约为45钢的3倍。涂层的失效形式主要为脆性剥落机制。. 试验表明喷涂雾化粒子在飞行过程中、粒子片扁平化过程中以及粒子二次雾化过程中均很少发生氧化现象；由于喷涂过程中B元素发生了选择性氧化生成具有挥发性的三氧化二硼，在液滴表面形成一层保护膜，阻断了氧气的进入，从而形成了低氧化物含量的非晶涂层。. 建立了材料设计－喷涂工艺－路径规划－厚涂层制备之间的关系；制备了厚度为10mm的Fe基大块非晶涂层。并成功地将Fe基非晶涂层应用于装备零件的再制造修复，效果良好。低成本、高性能铁基非晶/纳米晶涂层研制为装备零件成形制造与再制造的应用奠定了材料与技术基础。