[发明专利]Fe-Al-Nb合金涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料表面改性技术领域，具体涉及一种Fe-Al-Nb合金涂层及其制备方法。

背景技术

Fe-Al金属间化合物是目前研究比较深入的金属间化合物之一，其比强度高、耐蚀性优异，同时具有资源丰富、成本低廉等优势。但由于其自身结合键的性质、晶体结构、缺陷敏感度、有序度及环境等因素导致Fe-Al合金涂层的塑韧性和600℃以上的高温综合性能还不能满足高温、热腐蚀和磨损共存的苛刻服役环境的要求，严重制约了Fe-Al合金涂层大量投入工业化应用。

邓文等在研究Nb对Fe₃Al合金基体与缺陷处价电子密度的影响时，测量了含Nb的Fe₃Al合金的正电子寿命谱参数。试验结果表明，Nb的加入降低了合金中的有序度，提高了晶界缺陷处价电子密度，金属间结合力增强，但由于Nb的原子半径比Fe大，它置换Fe后使晶格发生畸变，体积增大，导致合金基体的价电子密度降低，基体的金属键结合力减弱，有益于韧性的提高。尹衍生等在Fe₃Al中同时加入少量Nb元素，改善了合金的高温蠕变寿命。另外，已有研究表明Nb是提高Fe-Al合金组织稳定性、高温强度和耐高温腐蚀性能的重要合金元素。

目前缺乏一种强度高、韧性好、高温综合性能优异的Fe-Al-Nb合金涂层及其制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高、韧性好、高温综合性能优异的Fe-Al-Nb合金涂层及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：一种Fe-Al-Nb合金涂层，Fe-Al-Nb合金涂层分为基体层、沉积层和扩散层三部分；

所述基体层为普通碳钢材料；

所述沉积层由Nb99.5wt％，其余由AlNb₂、Fe₇Nb₆、Fe₂Al₅和Fe₃Al组成；

所述扩散层由Al25wt％～34wt％、Fe65wt％～73wt％和Nb1.0wt％～2.0wt％组成。

进一步地，所述Fe-Al-Nb合金涂层的厚度为150～200μm。

进一步地，所述普通碳钢材料为45钢或Q235。

更进一步地，所述扩散层内，Al的重量百分比由表及里逐渐降低。

本发明所述的Fe-Al-Nb合金涂层的制备方法，包括如下步骤：

(1)清洗：准备普通碳钢材料，并对其进行除油、除锈和超声清洗处理；

(2)助镀：将普通碳钢材料置于温度为70～80℃的助镀剂中，10～15min后取出试样并迅速将试样表面吹干；

(3)熔铝：将工业纯铝锭加入石墨坩埚中加热至750～800℃呈液体，然后除去覆盖在铝液表面上的氧化物后将覆盖剂均匀撒在铝液表面；

(4)热浸镀铝：将普通碳钢材料快速浸没在熔融铝液中，浸镀时间为130s～150s后，缓慢勾速取出试样，空冷；

(5)真空扩散退火：将热浸镀后的材料放入真空气氛炉中进行真空扩散退火处理，退火温度为850～900℃，退火时间为5～6h，之后随炉冷却；

(6)双辉改性预处理：将制备好的Fe-Al涂层材料在砂纸上进行研磨，并在该过程中使用金相显微镜进行实时观察，直至除去材料外表面分布有密集的孔洞，之后进行抛光并在蒸馏水中超声清洗；

(7)预热、活化处理：将靶材和普通碳钢材料置于炉膛内，调整靶材与普通碳钢材料之间的距离为15mm～20mm，炉膛内抽真空至气压为0～2Pa，通入氩气至气压为30～40Pa，将普通碳钢材料的电压缓慢升至100V～150V，靶材的电压缓慢升至150V～200V，处理时间为15～20min，对靶材和普通碳钢材料进行清洗、活化；

(8)双辉渗Nb改性：将炉膛内的气压调节为35Pa～45Pa，靶材的电压调整至800V～900V，普通碳钢材料的电压调整至350V～450V，普通碳钢材料的温度升至900℃～1000℃，保温时间为3～5h，制备出Fe-Al-Nb合金涂层。

进一步地，所述步骤(6)中，所述砂纸为不小于1000目。

进一步地，所述步骤(2)中，所述助镀剂由KBF₄2.25wt％～2.75wt％、AlF₃2.25wt％～2.75wt％、ReCl₃0.05wt％～0.1wt％、其余为H₂O组成。