非晶涂层结构与性能研究 (1)

1、非晶涂层结构与性能研究 非晶合金（Amorphous alloys），又称为金属玻璃 （Metallic glasses），它是将合金熔体在较快的冷却速率下将液态原子“冻结”下来而形成的一种固体材料。与常规晶态材料不同，其原子排列呈现长程无序（即无平移周期性）而短程有序的独特结构。非晶合金的优缺点 优点：非晶合金拥有超高的强度和硬度、耐磨性能、耐腐蚀性能和低廉的材料成本。块体非晶合金非常适合于微成型领域，使其在微机电系统（MEMS）领域有巨大的应用前景。 缺点：非晶合金脆性高，由于有限的玻璃形成能力以及极高冷却速率（105 K/s）的限制, 最终形成的非晶合金均为细丝状或薄带状，这大大限制了其

2、应用范围。非晶涂层的优势 当材料的某一维度的尺寸小到一定范围时（如薄膜），其诸多性能会与块体时截然不同。因此，把非晶合金用涂层的方式涂覆在常规性基体上时，非晶合金在微米尺度下的脆性会大大改变改善，而非晶合金有的耐磨损和防腐蚀的特性正常发挥作用。铁基非晶合金涂层热喷涂技术激光熔覆技术热喷涂原理热喷涂原理 热喷涂是通过火焰、电弧或等离子体等热源将某种粉末或丝材加热至其半熔化或熔化状态，然后将其高速喷射到经过预处理的基体表面，从而形成涂层的表面加工技术。热喷涂特点 热喷涂涂层最大的特点就是其扁平化的层状结构。此外，由于喷涂过程中粒子直接与空气接触，因此氧化必不可免，最终会在涂层中形成氧化物；又由于喷

3、涂粒子与热源的传导存在不均匀性，会导致部分粒子处于未熔化状态，因此在撞击过程中变形不充分，这些粒子间就会出现孔隙。另外，喷涂粒子往往具有十分快的冷却速率（105K/s），亚稳相以及残余应力也经常在热喷涂涂层中出现。涂层的结合包括涂层与基体的结合（涂层结合强度）和涂层层状间的结合（内聚强度）两方面。由于基体经常前期喷砂预处理，因此在喷涂前是呈现凹凸不平，粒子变形并填满基体的这些沟槽，与基体紧紧的咬合在一起，这个过程不涉及任何化学反应以及明显的扩散，因此，目前人们一般认为涂层与基体间的结合为纯粹的机械结合。 非晶涂层工艺对结构的影响 火焰喷涂火焰喷涂利用气体燃烧放出的热量进行喷涂，由于喷涂过程中粒

4、子的飞行速率十分低，因而得到的涂层含较多的氧化物和孔洞。 等离子喷涂等离子喷涂过程温度极高可达16000C，粒子速度可达450m/s，得到的涂层孔隙率低、结合强度高，但由于温度过高会产生严重氧化。 超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂在高速射流中加热材料，粒子速度可达1000m/s以上，为音速的3-4倍，得到的涂层孔隙率低，氧化物含量低，涂层与基体结合强度高。激光熔覆简介 激光熔覆（ Laser Cladding ）是指以不同的添料方式在被涂覆基体表面放置选择的涂层材料、经高能量密度（10 410 6W/cm 2）的激光束辅照后使之和基体表面一薄层同时熔化 ，并快速凝固后形成稀释度极低，与基体材料成冶

5、金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。激光熔覆是一个复杂的物理、化学冶金过程，是一种对裂纹极为敏感的工艺。熔覆层的质量和性能除与熔覆层材料的原始成分、基材的成分和性能密切相关外，还强烈地取决于激光熔覆的工艺参数。对于激光熔覆加工过程中多个参数进行分析，具体可以分为： 1 ）激光熔覆参数激光功率、焦距、光斑尺寸、模式、波长、熔覆方法； 2 ）过程量-扫描速度、保护气体。 这些参数决定了激光与粉末流相互作用物理过程，同时也直接影响熔覆层的几何尺寸、精度。 以上参数在激光加工过程中的相互影响关系可以如下图激光熔覆工艺激光熔覆工艺 参数的分析参数的

6、分析 三大影响 激光功率密度： 能量密度较小时，只能使熔覆材料在表面熔化，内部不能够熔化，引起基体与熔覆层的开裂行为；但是功率密度越大熔化的金属粉末量越多，材料在激光的照射下引起强烈的汽化并生成许多小孔。随着功率密度增加，熔覆层深度增加，周围的金属液体流向气孔而使气孔数量减少甚至得以消除，裂纹数量也得以减少。 扫描速度对裂纹的产生也有明显的影响： 当扫描速度较大，熔覆层易出现间断现象，其原因在于随扫描速度增大，激光能量密度减少，熔池寿命缩短，凝固速度加快，当激光提供的能量不足以维持连续熔化合金粉末时，已结晶的熔覆层与未熔化的合金粉末熔融出现脱节，出现熔覆层间断的现象； 扫描速度较小时 ， 则由

7、于在基材表面会因为粉末带入的空气而使之处于氧化性气氛包围之中使表面氧化，从而造成开裂状况。 基材体积的影响，主要与基材的厚度和宽度有关，基材在任一方向上尺寸过小，在这个方向上基材就容易变形。这主要与熔覆过程中热传导方式相关，热量在此过程中除去少量的通过对流和辐射作用传递之外，主要通过热传导从基材传递出去，基材过小，吸收的热量就少，大量的热量将无法及时传递出去，长时间滞留于基材中，熔覆层组织就会变得比较粗大，影响到熔覆层的性能。非晶涂层结构与性能 随着粉末粒径的增加，涂层的焓变数值依次增大，说明采用较大粒径制备的涂层中含有的非晶分数更高。这主要是由于界面效应造成的，粉末粒径越小则会产生更多的涂层层状界面，而氧化往往发生在这些界面处从而降低了晶化焓。 美国利弗摩尔国家实验室发现使用粗粒径粉末制备的涂层的钝化膜较之细粉制备的非晶涂层更为稳定，耐腐蚀性能更好。 热喷涂涂层主要由变形良好的粒子相互搭接堆积从而形成典型的层状结构，采用最细粉末粒径制备出的非晶涂层具有致密的结构，随着粒径增大