辛蔚等：热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 313· 化物等固有缺陷，以及喷涂过程中难以控制的微 非品合金涂层的耐磨性 观组织结构变化.为追求工程应用的高性价比，目 Guo等2利用超音速火焰喷涂制备了两种涂 前，热喷涂法主要用来制备Fe基、Al基等非晶形 层，分别为Fe49.7Cr1gMn1.gMo7.4W1.6B15.2C3.8Si24非 成能力较高且成本较低的非晶合金涂层，本文重 晶合金涂层和Fe44.6Cr28Mno.8Mo2.5C7.6Si24Ni141不 点讨论非晶合金涂层耐磨性和耐蚀性两种性能的 锈钢耐磨涂层，并研究了2种涂层在不同载荷下 研究现状 的干摩擦性能差异，如图2所示.研究结果表明， 2.1耐磨性 非晶合金涂层(ASC)在4种载荷下的摩擦系数 非晶合金涂层具有优异的力学性能，例如高 (COF)较为稳定，且随法向载荷增加，摩擦系数从 硬度、高弹塑性、高韧性等，而非晶合金涂层优异 0.78下降到0.69.而不锈钢涂层(SSC)的摩擦系数 的摩擦性能也是由这些力学性能共同作用而成 随滑动摩擦时间增加而增大且波动较大，这是由 的.而且由于热喷涂技术的固有特性，在喷涂过程 于不锈钢涂层表面在摩擦的过程中发生了局部断 中不可避免地产生氧化和再结晶，因此很难得到 裂，产生的磨屑加剧了磨损，而且随时间增加，磨 完全非品结构.正是利用这一特性，研究人员利用 屑脱落产生了表面剥层现象，此过程往复发生.因 热喷涂制备的非晶合金涂层大部分含有纳米晶 此相较于不锈钢涂层，非晶合金涂层在长时间内 相，且作为弥散强化相极大程度地提高了热喷涂 磨损量更低，具有更优异的耐磨性 1.0 (a (b) 0.8 06 03d 0.4 AL.O,bal -10N 20N 0.2 -30N -40N 0 0 4 6 8 10 0 4 6 8 10 Sliding time/(103s) Sliding time/(103s) 图2不同载荷下摩擦系数随滑动时间的变化网.(a)非品合金涂层(ASC):(b)不锈钢涂层(SSC) Fig.2 Variation of COFs with sliding time(a)amorphous steel coating.(b)stainless steel coating 上述研究表明，热喷涂非品合金涂层相比于 -a-fe◆-feB 传统合金耐磨涂层具有更优异的耐磨性，在此研 ◆-FeB"-FeaB6 Coating-3 [50 g-min] -FeB -FeP 究基础上，研究人员探究了喷涂工艺参数对非晶 合金涂层耐磨性的影响.Nayak等Bo利用超音速 Coating-2 [30 g-min] 火焰喷涂制备了一种FeCrBPC非晶涂层，并研究 了不同送粉率对涂层耐磨性的影响，如图3所示 研究表明，随着送粉率的增加，涂层的致密性和耐 Coating-1 [15 g-min 磨性显著提高，且涂层3的磨损量仅为基体的1/4， 人人 为不锈钢耐磨涂层的13.通过对比X射线衍射结 405060 708090100110 2) 晶峰和非晶峰的区域面积，估计涂层1、2、3的非 图3不同送粉率下涂层的X射线衍射图谱网 晶质量分数分别为71%、77%、81%，随着送粉率 Fig.3 XRD patterns of the various high-velocity oxygen-fuel sprayed 的增加，喷涂过程中的氧化降低且结晶相形成较 coatings prepared with different powder feed rates 少，因此涂层的非晶含量和致密性均有所提高，耐 磨性增强， 喷涂功率下的涂层在质量分数3.5%NaCI溶液中 Cheng等B]利用等离子喷涂制备了一种 的滑动摩擦性能.如图4所示，喷涂功率在42kW Fe4Cr16Mo16(C,B,P)2s非晶合金涂层，并研究了不同 时，非品合金涂层具有最优的耐磨性，且优于喷涂化物等固有缺陷，以及喷涂过程中难以控制的微 观组织结构变化. 为追求工程应用的高性价比，目 前，热喷涂法主要用来制备 Fe 基、Al 基等非晶形 成能力较高且成本较低的非晶合金涂层，本文重 点讨论非晶合金涂层耐磨性和耐蚀性两种性能的 研究现状. 2.1    耐磨性 非晶合金涂层具有优异的力学性能，例如高 硬度、高弹塑性、高韧性等，而非晶合金涂层优异 的摩擦性能也是由这些力学性能共同作用而成 的. 而且由于热喷涂技术的固有特性，在喷涂过程 中不可避免地产生氧化和再结晶，因此很难得到 完全非晶结构. 正是利用这一特性，研究人员利用 热喷涂制备的非晶合金涂层大部分含有纳米晶 相，且作为弥散强化相极大程度地提高了热喷涂 非晶合金涂层的耐磨性. Guo 等[29] 利用超音速火焰喷涂制备了两种涂 层 ，分别 为 Fe49.7Cr18Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4 非 晶合金涂层 和 Fe44.6Cr28Mn0.8Mo2.5C7.6Si2.4Ni14.1 不 锈钢耐磨涂层，并研究了 2 种涂层在不同载荷下 的干摩擦性能差异，如图 2 所示. 研究结果表明， 非晶合金涂层 (ASC) 在 4 种载荷下的摩擦系数 (COF) 较为稳定，且随法向载荷增加，摩擦系数从 0.78 下降到 0.69，而不锈钢涂层 (SSC) 的摩擦系数 随滑动摩擦时间增加而增大且波动较大，这是由 于不锈钢涂层表面在摩擦的过程中发生了局部断 裂，产生的磨屑加剧了磨损，而且随时间增加，磨 屑脱落产生了表面剥层现象，此过程往复发生. 因 此相较于不锈钢涂层，非晶合金涂层在长时间内 磨损量更低，具有更优异的耐磨性. 1.0 0.8 0.6 0.4 COF 0.2 0 0 2 4 6 Sliding time/(103 s) 8 10 (a) (b) 10 N 20 N 30 N 40 N Load Al2O3 ball Coating 0 2 4 6 Sliding time/(103 s) 8 10 图 2    不同载荷下摩擦系数随滑动时间的变化[29] . （a）非晶合金涂层（ASC）；（b）不锈钢涂层（SSC） Fig.2    Variation of COFs with sliding time[29] : (a) amorphous steel coating; (b) stainless steel coating 上述研究表明，热喷涂非晶合金涂层相比于 传统合金耐磨涂层具有更优异的耐磨性，在此研 究基础上，研究人员探究了喷涂工艺参数对非晶 合金涂层耐磨性的影响. Nayak 等[30] 利用超音速 火焰喷涂制备了一种 FeCrBPC 非晶涂层，并研究 了不同送粉率对涂层耐磨性的影响，如图 3 所示. 研究表明，随着送粉率的增加，涂层的致密性和耐 磨性显著提高，且涂层 3 的磨损量仅为基体的 1/4， 为不锈钢耐磨涂层的 1/3. 通过对比 X 射线衍射结 晶峰和非晶峰的区域面积，估计涂层 1、2、3 的非 晶质量分数分别为 71%、77%、81%，随着送粉率 的增加，喷涂过程中的氧化降低且结晶相形成较 少，因此涂层的非晶含量和致密性均有所提高，耐 磨性增强. Cheng 等 [31] 利 用 等 离 子 喷 涂 制 备 了 一 种 Fe43Cr16Mo16(C,B, P)25 非晶合金涂层，并研究了不同 喷涂功率下的涂层在质量分数 3.5% NaCl 溶液中 的滑动摩擦性能. 如图 4 所示，喷涂功率在 42 kW 时，非晶合金涂层具有最优的耐磨性，且优于喷涂 Intensity Coating-1 [15 g·min−1] Coating-2 [30 g·min−1] Coating-3 [50 g·min−1] −α-Fe −Fe3B −FeB −Fe2B −Fe23B6 −FeP4 40 50 60 70 2θ/(°) 80 90 100 110 图 3    不同送粉率下涂层的 X 射线衍射图谱[30] Fig.3     XRD  patterns  of  the  various  high-velocity  oxygen-fuel  sprayed coatings prepared with different powder feed rates[30] 辛    蔚等： 热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 · 313 ·