[发明专利]一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材

说明书

技术领域    

本发明涉及一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，属于材料加工工程专业热喷涂领域。主要用于制备大面积防护涂层的电弧喷涂材料，可应用于钢结构的长效防腐、耐磨和高温冲蚀等环境。

背景技术

与晶态材料相比，亚稳态的非晶纳米晶涂层材料具有比传统材料更为独特而优异的性能，是很有发展前景的新型材料。然而，目前这些材料还没有大范围推广应用，主要是其制备工艺过程难以控制，在实际中很难制备大块非晶纳米晶材料，其应用主要被限制在薄带、细丝、粉末等低维度形状上，另外，非晶材料的本征脆性也在一定程度上限制了其应用。相对而言，非晶纳米晶涂层的制备过程比较容易实现。在众多涂层制备方法中，热喷涂技术是一种极具竞争力的技术，同时也是非常有发展前景的技术。其中高速电弧喷涂技术具有设备简单、高效，低成本、涂层性能优异及适宜现场原位大面积施工等优点。由于电弧喷涂单个粒子的凝固速率为10^-7-10^-5K/s，具备了非晶形成的条件，只要材料成分设计合理，就能够得到纳米结构涂层。利用高速电弧喷涂技术制备非晶纳米晶涂层是对非晶纳米晶合金制备技术的新拓展，也是对传统电弧喷涂技术的革新。

高速电弧喷涂制备铁基非晶纳米晶合金涂层具有优质、高效、低成本的优势，国内外学者对此进行了大量研究，在非晶纳米晶涂层制备方面，据田浩亮等人在《材料科学与工艺》（2012 20(1): 108-113）上报道，利用高速电弧喷涂技术制备了FeAlNbB非晶纳米晶涂层，其纳米晶尺寸约为14.1nm。 梁秀兵等人（《装甲兵工程学院学报》2010 24(6):81-84）利用电弧喷涂制备了FeAlCrNbB金属间化合物复合涂层，但该涂层纳米晶含量较低。郭金花等人在《电弧喷涂含非晶相的Fe基涂层的电化学行为》（《金属学报》2007 43(7):780-784）中的描述，已成功地利用电弧喷涂方法制备出了材料成分为FeCrBSiMoWMn的非晶纳米晶涂层，该涂层具有良好的耐腐蚀性能。傅斌友（《材料热处理学报》2008, 29(3): 159-162.）等利用电弧喷涂铁基粉芯丝材(FeCrNiBC)，获得了49％非晶含量的涂层，涂层耐磨粒磨损性能是Q235钢的16.8倍。Branagan等（Journal of Thermal Spray Technology, 2005, 14(2): 196-204）采用电弧喷涂美国Nanosteel公司的SHS7170粉芯丝材（FeCrMoWBCSiMn）制备了非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有良好的抗高温冲蚀性能。虽然上述的粉芯丝材制备出的涂层具有非晶纳米晶结构和良好的力学性能，但涂层中Cr的含量均小于35wt.%，这在一定程度上限制了涂层在耐磨、防腐及抗高温冲蚀等力学性能的进一步提升；而且由于其材料成分体系设计不尽合理，获得的涂层纳米晶含量较低，且分布不均匀，直接影响了涂层质量与性能。因此，研发出具有高Cr含量的纳米结构且成本相对较低、优异力学性能的电弧喷涂铁基纳米晶结构涂层用粉芯丝材仍然具有重大的意义。

发明内容

针对过去电弧喷涂丝材制备涂层中Cr和纳米晶含量较低且分布不均匀等问题，本发明提供了一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，利用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出涂层组织结构致密，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。该涂层可应用于钢结构的长效防腐、耐磨和高温冲蚀等环境，并且具有成本较低等特点。

本发明实现上述目的的技术方案是：一种高铬含量纳米结构涂层用的粉芯丝材，由430不锈钢外皮包覆粉芯制成，其特征在于粉芯由六种元素粉末混合而成，粉芯成分质量百分比含量范围如下：28%-35% Cr、2%－4% B、0.5%－1.5% Si、1%－2% Mn、0.5%－1.5% Nb、余量Fe；粉芯的填充率为36%-42%，粉芯丝材的直径为2mm。采用高速电弧喷涂该粉芯丝材制备出的纳米结构涂层，纳米晶尺寸为40-95 nm；孔隙率≤3%，涂层的结合强度为50~55MPa；涂层中Cr含量的质量百分比达35-45%。

本发明粉芯丝材的制备方法包括以下步骤：

1. 将430不锈钢钢带扎成U形，再向U形槽中加入占粉芯丝材总重为40％的粉芯粉末；

2. 将U形槽的430不锈钢钢带合口，把粉芯粉末包覆其中，经过拉丝模，逐渐拉拔、减径，最后得到的粉芯丝材直径为2mm。