热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 辛蔚王玉江魏世丞王博梁义袁悦徐滨士 Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying XIN Wei,WANG Yu-jiang.WEI Shi-cheng.WANG Bo,LIANG Yi,YUAN Yue,XU Bin-shi 引用本文： 辛蔚，王玉江，魏世丞，王博，梁义，袁悦，徐滨士.热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展.工程科学学报，2021,433)： 311-320.doi:10.13374.issn2095-9389.2020.11.20.001 XIN Wei,WANG Yu-jiang.WEI Shi-cheng,WANG Bo,LIANG Yi,YUAN Yue,XU Bin-shi.Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(3):311-320.doi: 10.13374/i.issn2095-9389.2020.11.20.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.11.20.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al-22Si-2Fe-xMn alloys produced by inclined cooling 工程科学学报.2017,392：222 https:/1doi.org/10.13374issn2095-9389.2017.02.009 铝合金表面水滑石薄膜的制备及其耐蚀性研究进展 Research progress on the preparation and corrosion resistance of layered double hydroxides film on aluminum alloys 工程科学学报.2020.42(1)：1htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.08.28.003 时效对A2L二元合金钝化膜耐蚀性及结构的影响 Influence of aging on corrosion resistance and structure of the passive film formed on Al2Li binary alloys 工程科学学报.2019,41(11)：1444 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.11.30.004 等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 Effect of austempering temperature on the microstructure and wear resistance of ultrafine bainitic steel 工程科学学报.2018,40(12：1502htps:1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.008 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报.2018,40(5)：605htps:/oi.org/10.13374,.issn2095-9389.2018.05.011 Cr3C,Ni3A1复合材料耐磨性提高的机制分析 Wear mechanism of CrC,/NiAl composites showing excellent wear resistance 工程科学学报.2019,41(1)：117htps:1doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.01.013

热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 辛蔚 王玉江 魏世丞 王博 梁义 袁悦 徐滨士 Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying XIN Wei, WANG Yu-jiang, WEI Shi-cheng, WANG Bo, LIANG Yi, YUAN Yue, XU Bin-shi 引用本文: 辛蔚, 王玉江, 魏世丞, 王博, 梁义, 袁悦, 徐滨士. 热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展[J]. 工程科学学报, 2021, 43(3): 311-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.20.001 XIN Wei, WANG Yu-jiang, WEI Shi-cheng, WANG Bo, LIANG Yi, YUAN Yue, XU Bin-shi. Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(3): 311-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.20.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.20.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响 Effect of Mn element on the microstructure and wear resistance of hypereutectic Al-22Si-2Fe-xMn alloys produced by inclined cooling 工程科学学报. 2017, 39(2): 222 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.009 铝合金表面水滑石薄膜的制备及其耐蚀性研究进展 Research progress on the preparation and corrosion resistance of layered double hydroxides film on aluminum alloys 工程科学学报. 2020, 42(1): 1 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.28.003 时效对Al2Li二元合金钝化膜耐蚀性及结构的影响 Influence of aging on corrosion resistance and structure of the passive film formed on Al2Li binary alloys 工程科学学报. 2019, 41(11): 1444 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.30.004 等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响 Effect of austempering temperature on the microstructure and wear resistance of ultrafine bainitic steel 工程科学学报. 2018, 40(12): 1502 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.008 镁锂合金表面含碳陶瓷层的摩擦性能 Friction properties of C-containing ceramic coatings on an Mg-Li alloy 工程科学学报. 2018, 40(5): 605 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.011 Cr3 C2 /Ni3 Al复合材料耐磨性提高的机制分析 Wear mechanism of Cr3 C2 /Ni3 Al composites showing excellent wear resistance 工程科学学报. 2019, 41(1): 117 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.013

工程科学学报.第43卷，第3期：311-320.2021年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.3:311-320,March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.20.001;http://cje.ustb.edu.cn 热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 辛蔚，王玉江四，魏世丞，王博，梁义，袁悦，徐滨士 陆军装甲兵学院再制造技术重点实验室，北京100072 ☒通信作者，E-mail:yiwang.201617@163.com 摘要首先介绍了非晶合金的理论基础，然后从耐磨性和耐蚀性两个方面入手，详细地阐述了国内外对于热喷涂非品合金 涂层性能研究进展情况，并系统地总结了非金合金涂层在耐磨性和耐蚀性上的本质联系和根本矛盾，最后指出热喷涂非晶合 金涂层性能研究上的局限性，提出三点问题：对于非晶合金基础理论的研究还处在起步阶段、热喷涂制备非晶合金涂层的合 金体系种类少、制备非晶合金涂层的热喷涂技术有待开发，并针对以上三点问题提出热喷涂制备非晶合金涂层性能研究的 未来发展方向. 关键词非晶合金：热喷涂：耐磨性：耐蚀性 分类号TG131;TG174.442 Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying XIN Wei,WANG Yu-jiang,WEI Shi-cheng,WANG Bo,LIANG Yi,YUAN Yue,XU Bin-shi National Key Laboratory for Remanufacturing.Army Academy of Armored Forces,Beijing 100072,China Corresponding author,E-mail:yjwang201617@163.com ABSTRACT Amorphous alloys due to their unique microstructures exhibit high hardness,high strength,high wear resistance,high corrosion resistance,and a series of excellent properties,such as magnetic properties,hydrogen storage properties,and superconductivity.They have found application as a new generation of thermal spray materials,which are of interest in the engineering field.Since the 1980s,the preparation and application of bulk amorphous alloys have gradually become a research hotspot.However, preparing bulk amorphous alloys is seriously difficult and they have limited applications,hindering the replacement of conventional alloys and their wide use in various industries.As alternatives,amorphous alloy coatings have recently garnered research interest because of their similar properties to the bulk,lower cost,and wider applications.They are usually prepared by thermal spraying.which has great industrial applications.This article first introduced the theoretical framework of amorphous alloys and then the two aspects of wear resistance and corrosion resistance,expounded the research progress on the properties of thermally sprayed amorphous alloy coatings in detail,and systematically summarized the essential connection and fundamental contradiction of the wear resistance and corrosion resistance of amorphous alloy coatings.Finally,the limitations of thermal spraying for preparing amorphous alloy coatings were pointed out.Three problems are raised:(1)The basic theory of amorphous alloys is still in its infancy;(2)There are few types of alloy systems for preparing thermally sprayed amorphous alloy coatings,(3)The thermal spraying technology for preparing amorphous alloy coatings needs to be developed.Aiming at the above three problems,future research directions on the properties of thermally sprayed amorphous alloy coatings were proposed. KEY WORDS amorphous alloy;thermal spraying;wear resistance;corrosion resistance 收稿日期：2020-11-20 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2019YFC1908100)

热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究进展 辛    蔚，王玉江苣，魏世丞，王    博，梁    义，袁    悦，徐滨士 陆军装甲兵学院再制造技术重点实验室，北京 100072 苣通信作者，E-mail：yjwang201617@163.com 摘    要    首先介绍了非晶合金的理论基础，然后从耐磨性和耐蚀性两个方面入手，详细地阐述了国内外对于热喷涂非晶合金 涂层性能研究进展情况，并系统地总结了非金合金涂层在耐磨性和耐蚀性上的本质联系和根本矛盾，最后指出热喷涂非晶合 金涂层性能研究上的局限性，提出三点问题：对于非晶合金基础理论的研究还处在起步阶段、热喷涂制备非晶合金涂层的合 金体系种类少、制备非晶合金涂层的热喷涂技术有待开发，并针对以上三点问题提出热喷涂制备非晶合金涂层性能研究的 未来发展方向. 关键词    非晶合金；热喷涂；耐磨性；耐蚀性 分类号    TG131；TG174.442 Research progress on the properties of amorphous alloy coatings prepared by thermal spraying XIN Wei，WANG Yu-jiang苣 ，WEI Shi-cheng，WANG Bo，LIANG Yi，YUAN Yue，XU Bin-shi National Key Laboratory for Remanufacturing, Army Academy of Armored Forces, Beijing 100072, China 苣 Corresponding author, E-mail: yjwang201617@163.com ABSTRACT    Amorphous alloys due to their unique microstructures exhibit high hardness, high strength, high wear resistance, high corrosion  resistance,  and  a  series  of  excellent  properties,  such  as  magnetic  properties,  hydrogen  storage  properties,  and superconductivity. They have found application as a new generation of thermal spray materials, which are of interest in the engineering field. Since the 1980s, the preparation and application of bulk amorphous alloys have gradually become a research hotspot. However, preparing  bulk  amorphous  alloys  is  seriously  difficult  and  they  have  limited  applications,  hindering  the  replacement  of  conventional alloys  and  their  wide  use  in  various  industries.  As  alternatives,  amorphous  alloy  coatings  have  recently  garnered  research  interest because of their similar properties to the bulk, lower cost, and wider applications. They are usually prepared by thermal spraying, which has great industrial applications. This article first introduced the theoretical framework of amorphous alloys and then the two aspects of wear  resistance  and  corrosion  resistance,  expounded  the  research  progress  on  the  properties  of  thermally  sprayed  amorphous  alloy coatings  in  detail,  and  systematically  summarized  the  essential  connection  and  fundamental  contradiction  of  the  wear  resistance  and corrosion resistance of amorphous alloy coatings. Finally, the limitations of thermal spraying for preparing amorphous alloy coatings were pointed out. Three problems are raised: (1) The basic theory of amorphous alloys is still in its infancy; (2) There are few types of alloy systems for preparing thermally sprayed amorphous alloy coatings; (3) The thermal spraying technology for preparing amorphous alloy  coatings  needs  to  be  developed.  Aiming  at  the  above  three  problems,  future  research  directions  on  the  properties  of  thermally sprayed amorphous alloy coatings were proposed. KEY WORDS    amorphous alloy；thermal spraying；wear resistance；corrosion resistance 收稿日期: 2020−11−20 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2019YFC1908100） 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期：311−320，2021 年 3 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 3: 311−320, March 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.20.001; http://cje.ustb.edu.cn

312 工程科学学报，第43卷，第3期 非晶合金是一种打破了传统合金“晶体”基本概 非晶合金的不均匀性决定了其具有不同于传 念的新型合金，区别于传统合金原子排列长程有 统合金的优异性能.结构的不均匀性：2004年 序的特征，非晶合金中金属原子无序排列，表现出 Miracle提出了非晶合金的“团簇密堆”模型P,其 长程无序、短程有序的特点.得益于其独特的微 长程无序体现在非晶合金是以原子团簇随机密堆 观组织结构，非晶合金展现出了优于传统合金的 而成，而短程有序则体现在原子团簇是由几个原 力学性能-)、耐蚀性-6等，而且具有储氢性能-、 子有序堆叠而成.非晶合金在结构上的不均匀性， 电磁性能11等特殊性能.目前，非晶合金不仅已 就取决于原子团簇在结构上的差异性，因此，不同 被广泛应用于冶金、机械制造等传统工业领域，而 的合金体系由于原子团簇的差异性导致性能差异 且已经被应用于化工4-、环保、医疗等其 很大，而通过添加微量元素，改变原子团簇的类 他领域，应用潜力巨大 型，最终也可以导致性能出现巨大改变：非晶合金 由于块体非晶合金制备成本较高，且应用范 元素分布的不均匀性，是由于其多为三元以上合 围受限，因此对于非晶合金涂层的研究与制备成 金，不同种类的原子在成键能力和混合焓上必然 为了非晶合金领域的一个重要研究方向.目前国 存在一定的差异，因而非晶合金在局部体现了元 内外用于制备非晶合金涂层的技术主要有激光熔 素分布的不均匀性.而且，由于非晶合金是由原子 覆18-201、磁控溅射21-2]和热喷涂等.相比其他几种 团簇堆叠而成，那么元素分布的不均匀性必然导 技术，热喷涂技术具有高效率、低成本的优势，而 致原子团簇类型的改变，因此可以通过控制元素 且热喷涂技术涂层的冷却速度可以达到103~ 的分布实现对非晶合金结构不均匀性的调控 108Ks,具有优异的非晶形成能力(GFA),适合 非晶形成的条件是“过冷”，如图1所示7，为 制备大面积防腐、耐磨涂层应用于海洋工程、采 非晶(Glass)和晶体(Crystal)的形成过程，Tm为熔 油工程等大型设备的防护与再制造，工业应用潜 化温度、Ta为较慢冷却速度下的晶化开始温度、 力巨大 T为较慢冷却速度下的晶化开始温度.温度迅速 热喷涂24是一种利用高温热源熔化目标材 地降低导致液体的黏度升高，因而结晶这一动力 料，并通过高压气体使其在基体表面沉积形成致 学过程就变得异常缓慢，并且在某一非平衡态的 密涂层的技术，而在1984年，日本研究人员 温度下形成“玻璃态”即没有规则品体结构的“冻 Miura等2在低碳钢基体上利用火焰喷涂的方法 结的液体”2网热喷涂技术具有热源温度高，冷却 制备了一种Fe-Ni复合基非晶合金涂层，第一次 速度快的特点，冷却速度可以达到10Ks,符合 把热喷涂技术与非晶合金联系起来，也由此掀起 非晶形成条件，因此热喷涂技术是一个有效的制 了热喷涂制备非晶合金涂层的研究热潮.目前，用 备非晶合金涂层的方法， 于制备非晶合金涂层的热喷涂方法主要有超音速 火焰喷涂、等离子喷涂、高速电弧喷涂、冷喷涂和 Liquid 爆炸喷涂等，并通过以上方法制备了F基、Al基、 Ni基、Mo基等具有较高耐磨性和耐蚀性的非晶 合金涂层.本文首先介绍了非晶合金涂层的理论 基础，然后从涂层的耐磨性和耐蚀性出发，系统地 阐述了国内外利用不同热喷涂技术制备的非晶合 b Glass 金涂层性能的研究发展现状，总结了目前研究中 Crystal 存在的局限性和问题，最后，针对性地提出未来的 研究发展方向 Temperature 图1非品和品体的形成过程可 1非晶合金理论基础 Fig.I Diagram of the formation of amorphous and crystal materials7 非晶合金是一种由原子的无序排列构成的物 2 热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究现状 质，其原子排列结构具有长程无序、短程有序的特 点，是一种微观上“不均匀”的特殊合金.非品合金 热喷涂与其他制备非品合金涂层的技术相 的不均匀性表现为结构的不均匀性和元素分布的 比，虽然工程应用的性价比很高，但其技术特点决 不均匀性 定了热喷涂涂层具有难以消除的孔隙、裂纹、氧

非晶合金是一种打破了传统合金“晶体”基本概 念的新型合金，区别于传统合金原子排列长程有 序的特征，非晶合金中金属原子无序排列，表现出 长程无序、短程有序的特点. 得益于其独特的微 观组织结构，非晶合金展现出了优于传统合金的 力学性能[1−3]、耐蚀性[4−6] 等，而且具有储氢性能[7−8]、 电磁性能[9−13] 等特殊性能. 目前，非晶合金不仅已 被广泛应用于冶金、机械制造等传统工业领域，而 且已经被应用于化工[14−15]、环保[16]、医疗[17] 等其 他领域，应用潜力巨大. 由于块体非晶合金制备成本较高，且应用范 围受限，因此对于非晶合金涂层的研究与制备成 为了非晶合金领域的一个重要研究方向. 目前国 内外用于制备非晶合金涂层的技术主要有激光熔 覆[18−20]、磁控溅射[21−23] 和热喷涂等. 相比其他几种 技术，热喷涂技术具有高效率、低成本的优势，而 且热喷涂技术涂层的冷却速度可以达 到 105～ 108 K·s−1，具有优异的非晶形成能力（GFA），适合 制备大面积防腐、耐磨涂层应用于海洋工程、采 油工程等大型设备的防护与再制造，工业应用潜 力巨大. 热喷涂[24] 是一种利用高温热源熔化目标材 料，并通过高压气体使其在基体表面沉积形成致 密 涂 层 的 技 术 ， 而 在 1984 年 ， 日 本 研 究 人 员 Miura 等[25] 在低碳钢基体上利用火焰喷涂的方法 制备了一种 Fe–Ni 复合基非晶合金涂层，第一次 把热喷涂技术与非晶合金联系起来，也由此掀起 了热喷涂制备非晶合金涂层的研究热潮. 目前，用 于制备非晶合金涂层的热喷涂方法主要有超音速 火焰喷涂、等离子喷涂、高速电弧喷涂、冷喷涂和 爆炸喷涂等，并通过以上方法制备了 Fe 基、Al 基、 Ni 基、Mo 基等具有较高耐磨性和耐蚀性的非晶 合金涂层. 本文首先介绍了非晶合金涂层的理论 基础，然后从涂层的耐磨性和耐蚀性出发，系统地 阐述了国内外利用不同热喷涂技术制备的非晶合 金涂层性能的研究发展现状，总结了目前研究中 存在的局限性和问题，最后，针对性地提出未来的 研究发展方向. 1    非晶合金理论基础 非晶合金是一种由原子的无序排列构成的物 质，其原子排列结构具有长程无序、短程有序的特 点，是一种微观上“不均匀”的特殊合金. 非晶合金 的不均匀性表现为结构的不均匀性和元素分布的 不均匀性. 非晶合金的不均匀性决定了其具有不同于传 统合金的优异性能. 结构的不均匀性 ： 2004 年 Miracle 提出了非晶合金的“团簇密堆”模型[26] ，其 长程无序体现在非晶合金是以原子团簇随机密堆 而成，而短程有序则体现在原子团簇是由几个原 子有序堆叠而成. 非晶合金在结构上的不均匀性， 就取决于原子团簇在结构上的差异性. 因此，不同 的合金体系由于原子团簇的差异性导致性能差异 很大，而通过添加微量元素，改变原子团簇的类 型，最终也可以导致性能出现巨大改变；非晶合金 元素分布的不均匀性，是由于其多为三元以上合 金，不同种类的原子在成键能力和混合焓上必然 存在一定的差异，因而非晶合金在局部体现了元 素分布的不均匀性. 而且，由于非晶合金是由原子 团簇堆叠而成，那么元素分布的不均匀性必然导 致原子团簇类型的改变，因此可以通过控制元素 的分布实现对非晶合金结构不均匀性的调控. 非晶形成的条件是“过冷”，如图 1 所示[27] ，为 非晶 (Glass) 和晶体 (Crystal) 的形成过程，Tm 为熔 化温度、Tga 为较慢冷却速度下的晶化开始温度、 Tgb 为较慢冷却速度下的晶化开始温度. 温度迅速 地降低导致液体的黏度升高，因而结晶这一动力 学过程就变得异常缓慢，并且在某一非平衡态的 温度下形成“玻璃态”即没有规则晶体结构的“冻 结的液体” [28] . 热喷涂技术具有热源温度高，冷却 速度快的特点，冷却速度可以达到 106 K·s−1，符合 非晶形成条件，因此热喷涂技术是一个有效的制 备非晶合金涂层的方法. Volume, enthalpy b Glass Crystal a Temperature Liquid Tga Tgb Tm 图 1    非晶和晶体的形成过程[27] Fig.1    Diagram of the formation of amorphous and crystal materials[27] 2    热喷涂制备非晶合金涂层性能的研究现状 热喷涂与其他制备非晶合金涂层的技术相 比，虽然工程应用的性价比很高，但其技术特点决 定了热喷涂涂层具有难以消除的孔隙、裂纹、氧 · 312 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期

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 ·

314 工程科学学报，第43卷，第3期 功率在28kW时制备的非晶合金涂层和EQ70船 步提高其耐磨性.在此研究的基础上，研究人员对 用钢.这是由于涂层的磨损机制为分层磨损伴随 不同工况下非晶合金涂层的摩擦行为及摩擦磨损 严重的腐蚀破坏，因此在腐蚀工作环境下涂层致 机制进行系统地研究.Liang等利用超音速火焰喷 密性和耐蚀性的提高决定了耐磨性的提升 涂制备了一种Fe43Cr2oMo1oW4C1sB6Y2非晶合金涂 层，并对比了其在真空(Vac.)和大气(Air)2种环 6 3.5%Nacl solution 0.6 E070 Sliding time:20 min 28.0kW 境下的高温摩擦学性能.如图6所示，涂层的磨损 Normal load:60N 0.5 -31.5kW Sliding speed:25 mm's 35.0kW 率均显著小于在真空环境下，当温度从293升高到 38.5kW 0.4 EQ70 42.0kW 673K时，涂层的磨损率从2.71×106降低到1.44× 106mm3N1m,而在大气环境下，当温度为673K 0.3 时，涂层的磨损率为6.43×106mm3N1m.研究表 3 0.2 300 600 900 1200 明，涂层在真空中表现了极佳的高温耐磨性，而在大气 Sliding time/s 28.0kW 环境下，涂层表现出于真空环境下不同的磨损机制 31.5kW35.0kW38.5k 42.0kW 20 Fe-based AC The tested samples 15 图4不同条件下实验样品的磨损率和摩擦系数 Fig.4 Wear rates and friction coefficients of the tested samplest 10 上述研究表明，通过调节工艺参数可以提高 非晶合金的耐磨性，而Cheng等利用高速电弧 喷涂制备了一种FεBSiNb涂层，并研究了不同热 处理温度对非晶合金涂层耐磨性的影响，如图5 293 K,vac. 673 K,vac. 673 K,air Experimental conditions 所示.研究表明，随热处理温度升高，涂层的磨损 图6不同摩擦学条件下铁基非晶合金涂层和基体的磨损率习 量显著下降，硬度与弹性模量比值HE增大，即材 Fig.6 Wear rates of Fe-based amorphous coatings and the reference 料的承载能力提高.这是由于非晶合金涂层在经 316Lcrystalline steels under various sliding conditions 过热处理后析出纳米晶相F©23B6,起到了弥散强化 如图7所示在真空环境中，层间在摩擦力的切 的作用，而且析出的其他晶相起到了固溶强化的 向作用下产生了裂纹，而后裂纹扩展并形成碎片 作用，涂层的硬度和弹性均有显著提高，因此耐磨 脱落，摩擦过程为典型的分层磨损和粘着磨损.而 性随退火温度的升高而提高，在650℃下退火，涂 在大气环境中，高温下层间迅速氧化，而后氧化物 层表现出最好的耐磨性 形成碎片脱落，随之涂层继续氧化，上述过程循环 13 往复，摩擦过程分层、粘着磨损并伴随着严重的氧 12 As-sprayed 化磨损，磨损量显著大于真空环境 11 上述研究表明，不同的摩擦环境对非晶合金 10 涂层耐磨性有显著的影响，而Lⅰ等B利用爆炸喷 9 500℃· 550℃ 涂制备了一种FeCrMoCB非晶合金涂层，并研究 8 了不同的载荷和滑动速度对涂层耐磨性的影响 600℃ 研究表明涂层的磨损率对于滑动速度的敏感性大 n650℃ 6 于载荷重量，在低速滑动(0.1~0.5ms)下，磨损 0.0740.0760.0780.080 0.0820.0840.086 率较低且稳定，在高速滑动(0.5~1ms)下，磨损 HE:ratio 率呈线性升高.磨损机理如图8所示，在低速滑动 图5不同热处理温度下涂层磨损量与H川E,的关系四 时涂层表面产生氧化膜和少量的纳米晶相，因此 Fig.5 Relationship between the wear loss and the HE,ratio for the 硬度提高，耐磨性较好.在高速滑动时，涂层表面 coatinglz 结晶严重且产生了较多的脆性氧化物，涂层中裂 上述研究表明非品合金涂层具有良好的耐磨 纹扩展加剧，形成氧化磨损和分层磨损结合的摩 性，且可以通过调节工艺参数和涂层热处理进一 擦机制，因此磨损率显著提升

功率在 28 kW 时制备的非晶合金涂层和 EQ70 船 用钢. 这是由于涂层的磨损机制为分层磨损伴随 严重的腐蚀破坏，因此在腐蚀工作环境下涂层致 密性和耐蚀性的提高决定了耐磨性的提升. 6 5 EQ 70 EQ 70 28.0 kW 28.0 kW 31.5 kW 35.0 kW 38.5 kW 42.0 kW 0.6 0.5 0.4 0.3 Coefficient of friction 0.2 0 300 600 Sliding time/s 900 1200 31.5 kW 35.0 kW 38.5 kW 42.0 kW 4 3 2 1 Wear rate/(10−5 mm3·m−1·N−1 ) The tested samples 3.5% Nacl solution Sliding time: 20 min Normal load: 60 N Sliding speed: 25 mm·s−1 图 4    不同条件下实验样品的磨损率和摩擦系数[31] Fig.4    Wear rates and friction coefficients of the tested samples[31] 上述研究表明，通过调节工艺参数可以提高 非晶合金的耐磨性，而 Cheng 等[32] 利用高速电弧 喷涂制备了一种 FeBSiNb 涂层，并研究了不同热 处理温度对非晶合金涂层耐磨性的影响，如图 5 所示. 研究表明，随热处理温度升高，涂层的磨损 量显著下降，硬度与弹性模量比值 H/Er 增大，即材 料的承载能力提高. 这是由于非晶合金涂层在经 过热处理后析出纳米晶相 Fe23B6，起到了弥散强化 的作用，而且析出的其他晶相起到了固溶强化的 作用，涂层的硬度和弹性均有显著提高，因此耐磨 性随退火温度的升高而提高，在 650 ℃ 下退火，涂 层表现出最好的耐磨性. 13 12 11 10 9 8 7 6 5 0.074 0.076 0.078 0.080 H/Er ratio 0.082 0.084 0.086 Wear loss/mg As-sprayed 500 ℃ 550 ℃ 600 ℃ 650 ℃ 图 5    不同热处理温度下涂层磨损量与 H/Er 的关系[32] Fig.5     Relationship  between  the  wear  loss  and  the H/Er ratio  for  the coating[32] 上述研究表明非晶合金涂层具有良好的耐磨 性，且可以通过调节工艺参数和涂层热处理进一 步提高其耐磨性. 在此研究的基础上，研究人员对 不同工况下非晶合金涂层的摩擦行为及摩擦磨损 机制进行系统地研究. Liang 等[33] 利用超音速火焰喷 涂制备了一种 Fe43Cr20Mo10W4C15B6Y2 非晶合金涂 层，并对比了其在真空 (Vac.) 和大气 (Air) 2 种环 境下的高温摩擦学性能. 如图 6 所示，涂层的磨损 率均显著小于在真空环境下，当温度从 293 升高到 673 K 时，涂层的磨损率从 2.71×10−6 降低到 1.44× 10−6 mm3 ·N−1·m−1，而在大气环境下，当温度为 673 K 时，涂层的磨损率为 6.43×10−6 mm3 ·N−1·m−1 . 研究表 明，涂层在真空中表现了极佳的高温耐磨性，而在大气 环境下，涂层表现出于真空环境下不同的磨损机制. 20 15 10 5 0 Wear rate/(10−6 mm3·N−1·m−1 ) Experimental conditions 293 K, vac. 673 K, vac. Fe-based AC 316 L CS 673 K, air 图 6    不同摩擦学条件下铁基非晶合金涂层和基体的磨损率[33] Fig.6     Wear  rates  of  Fe-based  amorphous  coatings  and  the  reference 316L crystalline steels under various sliding conditions[33] 如图 7 所示在真空环境中，层间在摩擦力的切 向作用下产生了裂纹，而后裂纹扩展并形成碎片 脱落，摩擦过程为典型的分层磨损和粘着磨损. 而 在大气环境中，高温下层间迅速氧化，而后氧化物 形成碎片脱落，随之涂层继续氧化，上述过程循环 往复，摩擦过程分层、粘着磨损并伴随着严重的氧 化磨损，磨损量显著大于真空环境. 上述研究表明，不同的摩擦环境对非晶合金 涂层耐磨性有显著的影响，而 Li 等[34] 利用爆炸喷 涂制备了一种 FeCrMoCB 非晶合金涂层，并研究 了不同的载荷和滑动速度对涂层耐磨性的影响. 研究表明涂层的磨损率对于滑动速度的敏感性大 于载荷重量，在低速滑动（0.1～0.5 m·s−1）下，磨损 率较低且稳定，在高速滑动（0.5～1 m·s−1）下，磨损 率呈线性升高. 磨损机理如图 8 所示，在低速滑动 时涂层表面产生氧化膜和少量的纳米晶相，因此 硬度提高，耐磨性较好. 在高速滑动时，涂层表面 结晶严重且产生了较多的脆性氧化物，涂层中裂 纹扩展加剧，形成氧化磨损和分层磨损结合的摩 擦机制，因此磨损率显著提升. · 314 · 工程科学学报，第 43 卷，第 3 期