利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法與流程

本發明屬于磁性材料領域，特別涉及一種利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法。

背景技術：

鐵磁性及亞鐵磁性材料在磁化狀態發生改變時，其自身的長度或體積會發生微小變化，這種現象稱為磁致伸縮。體積的變化稱為體積磁致伸縮，長度的變化稱為線磁致伸縮。由于體積磁致伸縮變化非常小，實用價值不高，通常所說的磁致伸縮主要是指線磁致伸縮。對應線磁致伸縮系數λ＝ΔL/L(L是材料原始長度，ΔL為外加磁場下材料的長度的變化量)。當λ>0，即外加磁場下，材料沿磁場方向伸長，稱為正磁致伸縮效應；反之，λ<0，則稱為負磁致伸縮效應。材料在在外加磁場下，所產生的最大應變量，稱為飽和磁致伸縮系數(λs)，對應的磁場的大小，稱為飽和磁化場(Hs)。

磁致伸縮材料能實現電磁能和機械能的相互轉換，具有輸出功率大、能量密度高、可靠性好等優點，是重要的能量和信息轉換材料，是高技術領域最重要的功能材料之一，在水聲換能器、超聲換能器、電聲轉換、精密制動器、減震與防噪、智能機械、微位移控制等高技術領域有廣泛的應用前景。

基于鐵磁材料的磁致伸縮特性，壓電超聲換能器和電磁超聲換能器在被測試樣內激發出和接受超聲波，但與磁致伸縮特性相反，當鐵磁材料的尺寸發生變化時，會引起磁疇的轉動或移動，進而會在材料內部產生磁效應，這種現象稱為逆磁致伸縮效應，鐵磁材料的磁致伸縮效應和逆磁致伸縮效應是鐵磁試樣中激發和接受超聲波的主要原因。磁致伸縮導波無損檢測作為一種新型的無損檢測技術，擁有長距離快速檢測的優點，尤其適用于各種石油、化工及天然氣管道的在役檢測與監測、高速鐵路軌道無損檢測、斜拉橋和懸索橋錨固區的在役檢測、大型結構和各種埋地構件的狀態監控，具有廣闊的市場前景和應用價值。

目前用于超聲導波無損檢測的鐵磁材料主要是磁致伸縮薄帶，美國西南研究所的Kwun博士最先提出了一種用于管道周向裂紋檢測的在管道內沿軸向傳播的基于磁致伸縮機理的電磁超聲換能器，在對L模式電磁超聲導波研究的基礎上，Kwun博士又提出了一種用于產生T模式超聲導波的EMAT結構，EMAT器由線圈、鎳帶和被測管道組成。韓國的KimYY教授及其課題組研究人員試圖通過改變鎳帶的使用方式，使EMAT具有選頻特性。但薄帶與被測試樣之間是由環氧樹脂起固定作用的，同時也作為超聲導波在磁致伸縮薄帶和被測試樣之間的耦合介質，但是環氧樹脂不能抵抗較重的地下潮氣，并且抗紫外線能力差，涂層容易突起，前期會形成鼓包，長期使用就會破裂、脫落，不能長期用于室外，否則會加速老化，如變色、降低強度甚至粉化、脫落等，因此合金薄帶不能長期用于超聲導波檢測和在役監測，所以考慮磁致伸縮涂層，把磁致伸縮材料的粉末采用冷噴涂的方式噴到被檢測試樣表面形成涂層涂層，涂層結合強度高、致密，可以長期用于超聲導波檢測，實現永久性服役。

前期本課題組已經做過用涂層代替薄帶來應用于超聲導波檢測，但是涂層磁致伸縮性能不高，λ_//接近40ppm，考慮到取向是決定Fe-Ga等合金材料磁致伸縮性能的關鍵因素，我們采用在金屬基體的底部或兩端固定磁體如圖1，通過冷噴涂的方式獲得沿各個方向的取向涂層。而技術磁化中，磁矩的轉動和非180°疇壁轉動導致合金材料產生線性磁致伸縮應變，沿易磁化取向的磁致伸縮性能最好。因此Fe-Ga，Fe-Al，Fe-Ni合金<001>取向為其易磁化方向，<001>取向單晶和多晶具有很高的磁致伸縮性能。我們測得Fe-Ga合金涂層<001>取向的λ_//接近80ppm，如圖2所示。

因此提供一種利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法具有重要的現實意義。

技術實現要素：

本發明的目的是提供了一種利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法，用于超聲導波無損檢測，克服磁致伸縮薄帶長期使用易脫落、氧化及其他方法制備涂層應用于超聲導波檢測性能不高的缺點，實現永久性服役。

1.一種利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵基磁致伸縮涂層的方法，其特征在于以金屬材料為基體，以冷噴涂的方式噴射鐵基磁致伸縮材料氣霧化球形粉，通過在基體的底部或兩端放置永磁體提供取向場，從而獲得沿磁場方向的取向涂層；具體制備步驟如下：

(1)用氣霧化的方式制備鐵基磁致伸縮材料的球形粉末；

(2)對金屬基底進行表面處理；

(3)在金屬基體上固定磁體；

(4)采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，獲得具有取向的磁致伸縮涂層。

如上所述取向磁致伸縮粉末的合金成分，按原子百分比計，表示為：Fe_100-x-yGa_xM_y(x＝13～30)，Fe_100-x-yAl_xM_y(x＝10～27)，Fe_100-x-yCo_xM_y(x＝45～75)，Fe_100-x-yNi_xM_y(x＝25～65)，其中M為B、Si、Ti、V、Cr、Mn、Zn、Ga、Nb、Ta和W中的一種或幾種，y＝0.01～0.6；余量為鐵。

步驟(1)所述球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶粉。

步驟(2)所述金屬基底為316L不銹鋼；所述表面處理方法為噴砂粗化處理。

步驟(3)所述磁體的磁場范圍為0.1～2T。

步驟(4)所述的冷噴涂條件如下：工作氣體和送粉氣體均為氮氣，工作氣體壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為400℃～800℃，噴涂距離為60mm～120mm，給料速度為50g/min～250g/min。

本發明的優點是：

1)采用具有各向異性的單晶鐵基磁致伸縮材料粉末，在磁場下能夠獲得具有一定的取向涂層；

2)具有一定取向的涂層沿某一方向加磁場，該方向具有強的磁致伸縮系數；

3)采用冷噴涂技術制備涂層，可在大氣環境下進行，對工件要求低，易工程化應用；

4)采用冷噴涂技術制備涂層，生產溫度低，不容易發生相變，晶粒不容易長大，氧化現象不容易發生，制備涂層質量好等；

5)鐵基磁致伸縮涂層涂層用于超聲導波無損檢測，克服磁致伸縮薄帶長期使用易脫落、氧化的缺點，可實現長期檢測和使用。

附圖說明

圖1為Fe-Ga磁致伸縮涂層的λ-H曲線，

圖2為冷噴涂的基底金屬塊的夾楔裝置示意圖，

圖3為鐵鎵球形氣霧化粉末的單晶顆粒截面。

具體實施方式

盡管參照本發明的下述示意性實施例對本發明的具體實施方式進行了詳細的描述，但是應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性的勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。

實施例1：利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵鎵磁致伸縮涂層的方法

1.配制Fe₈₁Ga_18.6B_0.4(x＝13～29)(以上x為原子百分比)，在氧化鋁坩堝的真空熔煉爐內進行第一次熔煉制備合金鑄錠，機加工去除鑄錠表面氧化皮，把預處理過的鑄錠放進高壓氣霧化制粉裝置中進行二次熔煉，在真空中加熱到1650℃保溫10分鐘，霧化氣體采用高純氬氣，霧化壓力為3.9MPa，噴粉壓力為0.5mbar，經過高速氣流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形氣霧化粉末；

2.噴砂粗化處理金屬基體，再用丙酮和酒精分別進行超聲振動，吹干，以清洗表面雜質；

3.在金屬基體的兩端上固定磁體,磁體的強度為1.5T；

4.球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶高壓球形氣霧化粉末。

5.采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，工作氣體和送粉氣體均為氮氣，工作氣體壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為600℃，噴涂距離為80mm，給料速度為60g/min，獲得具有取向的鐵鎵磁致伸縮涂層，λ-H曲線如圖2所示。

實施例2：利用冷噴涂技術制備具有取向的鐵鋁磁致伸縮涂層的方法

1.配制Fe₈₀Al_19.4Si_0.6(x＝10-25)(以上x為原子百分比)，在氧化鋁坩堝的真空熔煉爐內進行第一次熔煉制備合金鑄錠，機加工去除鑄錠表面氧化皮，把預處理過的鑄錠放進高壓氣霧化制粉裝置中進行二次熔煉，在真空中加熱到1680℃保溫10分鐘，霧化氣體采用高純氬氣，霧化壓力為3.7Mpa，噴粉壓力為0.23mbar，經過高速氣流碰撞合金液流破碎成不同粒度的球形氣霧化粉末；

2.噴砂粗化處理金屬基體，再用丙酮和酒精分別進行超聲振動，吹干，以清洗表面雜質；

3.在金屬基體的兩端上固定磁體,磁體的強度為1.5T；

4.球形氣霧化粉末是粒徑為5～25um的各向異性單晶高壓球形氣霧化粉末。

5.采用冷噴涂將前述的鐵基磁致伸縮粉末噴涂于金屬基體表面，工作氣體和送粉氣體均為氮氣，工作氣體壓力為2.5MPa～4.0MPa，工作氣體溫度為600℃，噴涂距離為80mm，給料速度為60g/min，獲得具有取向的鐵鋁磁致伸縮涂層。