本發明涉及金屬表面技術，特指通過三電極軸向等離子噴涂技術在金屬基材表面獲得Fe基非晶涂層的工藝技術方法。
背景技術：
在實際工程應用中，金屬零件往往面臨磨損、斷裂、腐蝕及其協同作用的考驗，這不僅會造成大量的經濟損失，而且會帶來諸多安全隱患。解決此問題較為經濟有效的方法是在金屬基體表面制備防腐耐磨涂層。目前已研究報導的防腐耐磨涂層包括金屬陶瓷涂層、金屬化合物涂層、金屬涂層、非晶涂層等。其中Fe基非晶合金材料成本相對低廉，具有較高的韌性、強度以及優異的耐磨、耐蝕性能，且具有一定導電性，因此Fe基非晶材料作為涂層應用已成為一個很具有前景的研究方向。
目前Fe基非晶涂層的制備方法主要集中在超音速火焰噴涂、等離子噴涂和電弧噴涂等技術方法，其中等離子噴涂工藝具有更高的焰流速度以及焰流溫度，且噴涂粒子在堆疊形成涂層過程中具有極高的冷卻速度，能夠抑制晶體相的析出，從而更有利于非晶態涂層的形成，因此等離子噴涂技術在非晶涂層的制備方法中更具競爭力。然而在實際實施過程中，普通等離子噴槍通常采用徑向送粉方式，易導致同一噴涂截面粉粒的溫度與速度分布不均勻，從而造成涂層均勻性較差，孔隙率較高等缺陷，不能充分發揮Fe基非晶涂層實用優勢。
本發明針對普通等離子噴涂過程中由于徑向送粉而導致粉粒融化與收縮不同步等弊端，提出一種通過改良等離子噴涂送粉方式，即采用三電極軸向等離子噴槍(包括陰、陽極腔，噴嘴，送粉管以及集束器)進行Fe基非晶涂層噴涂，與普通等離子噴槍相比，該噴槍結構獨特并采用軸向送粉，具有沉積效率高、粉末熔化充分、保護涂層不被氧化等優點，能夠有效降低涂層的孔隙率，并提高涂層的均勻性。
本發明具體通過以下2個步驟實現：
1.通過感應熔煉高壓氣體霧化法制備獲得Fe基非晶粉末；
2.通過高速軸向等離子噴涂技術將粉末沉積于金屬基材表面，并進行表征測試。
步驟1中所述Fe基非晶粉末成份具體為：Cr 18～19wt.％；Mo 13～14wt.％；W 5.5～6.5wt.％；B 3.0～3.5wt.％；Mn 1.5～2.5wt.％；Si 1.0～1.5wt.％；C 1.0～1.5wt.％；其余為Fe。
步驟1中所述感應熔煉高壓氣體霧化法制備獲得Fe基非晶粉末具體為：將Fe:99.9％(純度)，Cr:99.9％，Mo:98.5％，Mn:99.7％，W:99.9％，FeB:99％(其中B 20.06wt.％)，C:99.9％，Si:99.9％按比例球磨混合后，在氬氣保護下熔煉獲得Fe基非晶合金，然后在1720K溫度下，采用高壓氬氣流(7MPa)將獲得的合金破碎成粉并進行篩選，獲得粒徑為15～60μm的粉末作為噴涂材料。
步驟2中所述金屬基材包括但不局限于碳鋼、不銹鋼、鈦合金等。沉積前表面先經打磨處理，隨后采用棕剛玉噴砂處理3～7min至其表面完全失去金屬光澤。
步驟2中所述噴涂過程具體為：設備選用三電極軸向等離子噴槍，噴槍包括陰、陽極腔，噴嘴，送粉管以及集束器，設定噴涂工藝參數，其中基材與噴嘴間距離為120～190mm，送粉速率為70～90g/min，噴涂電流為210～250A，Ar氣流速為70～80L/min、N2流速為10～15L/min，H2流速為15～20L/min，冷卻水壓力為1.2MPa。
步驟2中所述非晶涂層其主要相成份為FeC，CrB2，M23C6。所獲得的非晶涂層其在3.5％NaCl溶液測試其腐蝕電位大約為(-0.3VSCE),腐蝕電流密度低于10-4A/cm2；在50N載荷下測試涂層顯微硬度為1000-1100Hv。。
以下將結合具體實施方案進一步說明；
首先將Fe:99.9％，Cr:99.9％，Mo:98.5％，Mn:99.7％，W:99.9％，FeB:99％(其中B 20.06wt.％)，C:99.9％，Si:99.9％按一定質量比球磨混粉，其具體比例為：Cr 18～19wt.％；Mo 13～14wt.％；W 5.5～6.5wt.％；B 3.0～3.5wt.％；Mn 1.5～2.5wt.％；Si 1.0～1.5wt.％；C 1.0～1.5wt.％；其余為Fe。將此粉末在氬氣保護下熔煉獲得Fe基非晶合金。隨后在1720K高溫下，采用高壓氬氣流(7MPa)將此合金破碎成粉，并篩選保留粒徑為15～60μm粉末作噴涂材料使用。將金屬基材(本實驗以45鋼為例)分別經180#、400#砂紙(SiC)水磨并用丙酮除油，隨后作噴砂處理(棕剛玉)致其表面完全失去金屬光澤。
實施例一：
選用三電極軸向等離子噴槍(包括陰、陽極腔，噴嘴，送粉管以及集束器)送粉，調節等離子噴涂工藝參數，其中噴涂距離為120mm，送粉速率為70g/min，噴涂電流為210A，Ar、N2與H2氣體流速分別為：70L/min、10L/min和15L/min。
本實例所獲得的Fe基非晶涂層厚度約為620μm，在3.5％NaCl溶液中對其進行動電位極化掃描，發現該涂層相對于基體，自腐蝕電位提高約150mV，自腐蝕電流下降約1個數量級；采用顯微硬度計測試該涂層硬度(其中載荷為50N，持續時間為20s，每個樣品取15～20個區間并取平均值)，發現該涂層相對于基體顯微硬度提高了近200Hv。
實施例二：
同實施例一，選用三電極軸向等離子噴槍(包括陰、陽極腔，噴嘴，送粉管以及集束器)送粉，調節等離子噴涂工藝參數，其中噴涂距離為150mm，送粉速率為70g/min，噴涂電流為220A，Ar、N2與H2氣體流速分別為：75L/min、15L/min和15L/min。
本實例所獲得的Fe基非晶涂層厚度約為710μm，在3.5％NaCl溶液中對其進行動電位極化掃描，發現該涂層相對于基體，自腐蝕電位提高約163mV，自腐蝕電流下降約1個數量級；采用顯微硬度計測試該涂層硬度(其中載荷為50N，持續時間為20s，每個樣品取15～20個區間并取平均值)，發現該涂層相對于基體顯微硬度提高了近210Hv。
實施例三：
同實施例一，選用三電極軸向等離子噴槍(包括陰、陽極腔，噴嘴，送粉管以及集束器)送粉，調節等離子噴涂工藝參數，其中噴涂距離為170mm，送粉速率為85g/min，噴涂電流為220A，Ar、N2與H2氣體流速分別為：75L/min、15L/min和15L/min。
本實例所獲得的Fe基非晶涂層厚度約為810μm，在3.5％NaCl溶液中對其進行動電位極化掃描，發現該涂層相對于基體，自腐蝕電位提高約176mV，自腐蝕電流下降約1個數量級；采用顯微硬度計測試該涂層硬度(其中載荷為50N，持續時間為20s，每個樣品取15～20個區間并取平均值)，發現該涂層相對于基體顯微硬度提高了近208Hv。