[發明專利]一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201310076784.1
• 申請日: 2013-03-12
• 公開（公告）號: CN103147044A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發明（設計）人: 姚正軍;羅西希;魏東博;張平則;周金堂;陳煜;朱俊謀;周文斌;楊紅勤;吳小鳳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/16
• 分類號: C23C14/16;C23C14/38
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明屬于Fe-Al金屬間化合物的制備領域，具體涉及一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法。

背景技術

Fe-Al金屬間化合物具有抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的優異性能。同時，具有低成本和低密度的優勢。但是，由于其獨特的長程有序結構使位錯運動和原子擴散困難，加之受環境氫脆的影響，導致其室溫塑性差，在使用中易發生脆斷等現象，故局限了其在工程領域的應用。已有研究表明，Cr是改善Fe-Al金屬間化合物韌性最有效的元素。原因是：Cr不僅可提高材料的強度和硬度，同時Cr也可改善材料的塑性和韌性，因此Cr可作為增加Fe-Al金屬間化合物韌性的一種重要合金元素。

將合金元素Cr加至Fe-Al合金中，并涂覆與碳鋼材料表面，制成Fe-Al-Cr合金涂層。其優勢在于成本低廉、節約戰略金屬和能源，同時保持了其優異的抗高溫氧化、耐腐蝕和耐磨損的性能。該涂層可應用于多種在苛刻服役條件下運行的重大裝備和設備中。例如：航空發動機和工業燃氣輪機中的導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤，以及在石油化工等行業中廣泛使用的鍋爐管道、化學反應器和壓力容器等制品。

目前，已有徐維普等人采用高速電弧噴涂和超音速電弧噴涂技術制備出該種Fe-Al-Cr涂層。使用這兩種方法制備所得的Fe-Al-Cr涂層在高溫下形成的氧化膜對涂層具有較好的保護作用，即具有優異的抗高溫氧化和耐磨損性能，能夠解決燃煤鍋爐管道的高溫燃氣-飛灰高溫沖蝕磨損問題。但是，使用該種技術制備所得涂層的缺陷在于：???????????????????????????????????????????????在噴涂過程中，粉末與氧接觸，使涂層中有Cr₂O₃和Al₂O₃等大顆粒存在，導致材料的韌性較差；同時也造成涂層中具有孔隙，必須進行密封和機械精修以獲得光滑的表面光潔度；使用該技術制備涂層過程中會產生大量的粉塵、氣味、噪音以及強烈的光輻射，對操作工人造成嚴重的健康和安全問題。因此，如何制備出性能優異的Fe-Al-Cr涂層，同時減少在操作過程中對環境的影響成為亟待解決的關鍵問題。

“雙輝等離子表面冶金技術”由于可快速制備與基體實現冶金結合的耐磨、防腐、抗高溫氧化等功能性涂層，近年來獲得廣泛的關注和研究。圖1為雙輝等離子表面冶金裝置的原理圖。在該設備中有陽極和陰極，同時在兩極之間放置一第三極，即源極，作為合金元素的供給極。在源極和陽極之間以及工件極與陽極之間各設一個可控直流電源。當真空室抽真空后，充入一定的氬氣，接通電源，便會在源極與陽極之間、工件與陽極之間產生兩組輝光放電現象。利用輝光放電所產生的氬離子轟擊源極，使欲滲合金元素由源極表面被濺射出來，通過空間運輸到達工件表面并被工件表面吸附。與此同時，氬離子轟擊工件使其加熱至高溫，工件表面吸附的合金元素在高溫下向內部擴散而形成具有特殊物理化學性能的合金層。

發明內容

本發明利用雙輝等離子表面冶金技術，提供一種高韌性Fe-Al-Cr涂層及其制備方法

一種高韌性Fe-Al-Cr涂層，其特征在于涂層厚度為20~30μm，涂層與基體間為冶金結合，并具有高韌性。其中涂層表面中Fe含量為60~65wt%，沿表面深度方向梯度上升至90~95wt%；涂層表面中Al中含量為0~5wt%，沿表面深度方向含量梯度上升至20~30wt%，繼而隨深度增加Al含量梯度下降至0~5wt%；涂層表面中Cr含量為30~40wt%，沿表面深度方向梯度下降至0~10wt%。?

一種高韌性Fe-Al-Cr涂層的制備方法，其特征在于選用離子濺射沉積技術，具體為雙輝等離子表面冶金技術制備該涂層，并選用鐵鋁鉻合金絲作為源極。其中源極為網狀圓盤結構，直徑為10cm，其成分配比為Al：4~6wt%、Cr：15~25wt%，余量為Fe，絲材直徑為1.0~1.5mm，網材孔徑為10~14目。具體工藝過程為：

（1）???????將碳鋼材料表面用金相砂紙處理并超聲清洗，烘干；

（2）???????將上述碳鋼材料和鐵鋁鉻合金絲裝入雙輝等離子表面合金化裝置中，以碳鋼材料為工件極，以鐵鋁鉻電阻絲（網）為源極，調節兩極之間的間距為15~25mm；

（3）???????抽真空至氣壓為0.5~1.5Pa，送入氬氣，啟動輝光。后續試驗共分三個階段。

階段一時間為0.5~1.5h，調試工藝參數為：

源極電壓：850~950V；

工件電壓：550~650?V；

氬氣氣壓：34~38?Pa；