一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法；属于金属玻璃涂层制备技术领域。
【背景技术】
[0002]腐蚀、磨损等材料的损伤过程通常开始于材料表面，容易引发工程事故并造成巨大的经济损失。表面工程技术可用于提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能，以保证材料在高速、高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况条件下可靠地服役。非晶合金由于具有一系列优异的性能，例如高强度、高硬度、良好的耐磨损与优异的耐腐蚀性能等，在表面工程与技术领域具有非常广阔的应用前景。制备非晶合金涂层可以充分利用非晶合金性能上的优点，同时克服那些制约其获得广泛应用的各种不利因素，例如室温脆性、生产成本高昂、制备工艺复杂、性能稳定性差等，极大地拓展非晶合金的工程应用范围，具有重大的实际意义。
[0003]现有制备金属玻璃涂层地方法有激光涂覆、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等技术；但是由于这些工艺的能量输入高，加上涂层材料的玻璃形成能力有限，很难制备出具有高非晶相含量的金属玻璃涂层。
[0004]电火花沉积是一种利用脉冲电弧进行微型焊接的工艺。涂层材料为阳极，通过焊枪与高频电源相连接，工件为阴极；在电极材料与工件接触的瞬间，因短路而产生剧烈的火花放电，在极短的时间内使两电极接触点处的局部区域温度上升到8000-25000°C，如此高温足以使电极尖端及与其接触的工件表面材料熔化甚至汽化；熔化的电极材料在脉冲电弧引起的爆炸力作用下被抛出，随着等离子体流而被快速溅射到工件表面，并与同样被局域熔化的工件表层合金混合，快速凝固而形成涂层。电火花沉积工艺制备的涂层与基体间有扩散层，两者实现了冶金结合，结合强度高。
[0005]目前，国内外已经有人采用真空等离子喷涂、高速火焰喷涂等方法制备镍基金属玻璃涂层，但还未见采用电火花沉积技术制备镍基金属玻璃涂层的记载。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术的不足，提供一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法。解决了镍基非晶合金由于玻璃形成能力低而难于制备金属玻璃涂层的难题，获得了具有高非晶相含量、高硬度、高致密度、与基体结合良好的镍基金属玻璃涂层。
[0007]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，以金属A为阳极，以预沉积金属A玻璃涂层的导电体为阴极，采电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层；电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层时，
[0008]当电压为50-60V时，控制电容为40-200 μ F、放电频率为1000_2000Ηζ、优选为2000Hz，控制阳极镍基合金沉积在阴极上的冷却速度为105-106K/s ;
[0009]当电压为61-99V时，控制电容为20-39.9 μ F、放电频率为1000_2000Ηζ、优选为2000Hz，控制阳极镍基合金沉积在阴极上的冷却速度为105-106K/s ;
[0010]当电压为100-150V时，控制电容为5-15yF、放电频率为1000_2000Hz、优选为2000Hz，控制阳极镍基合金沉积在阴极上的冷却速度为105-106K/s。
[0011]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，所述金属A为镍基合金。
[0012]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，所述镍基合金为N1-Nb-T1-Zr-Co-Cu 系合金或 Ni_Nb_Zr 系合金；
[0013]所述N1-Nb-T1-Zr-Co-Cu系合金以原子百分数计包括:
[0014]Ν?40-70 %、优选为 48-58 %、进一步优选为 53 % ；
[0015]Nbl0-40%、优选为 15-25%、进一步优选为 20% ；
[0016]Ti5_20%、优选为 5-15%、进一步优选为 10% ；
[0017]Zr5-20 %、优选为 Zr 5-10 %、进一步优选为 8 % ；
[0018]Col-10%、优选为3-9%、进一步优选为6% ；
[0019]Cul-8%、优选为1_6%、进一步优选为3% ；
[0020]所述N1-Nb-Zr系合金以原子百分数计包括:
[0021]Ni45-74%、优选为 55-65%、进一步优选为 61.5% ；
[0022]Nb25-45 %、优选为 28-38 %、进一步优选为 33.5%;
[0023]Zr 1-10%、优选为3-8%、进一步优选为5%。
[0024]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，所述镍基合金是直径为2-5mm的镍基合金棒。
[0025]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，当阳极为镍基合金时，所制备的金属玻璃涂层的硬度为900?1000HV。
[0026]本发明一种利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层的方法，利用电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层时，所用焊枪内设有保护罩和一个能旋转的夹头，所述夹头用于夹持镍基合金棒；工作时，在夹头的旋转作用下，电极以200-1000转/秒的转速旋转，同时保护罩内通有保护气体；所述保护气体的流量为20-100毫升/秒。
[0027]在工业化应用过程中，夹头能够夹持电极并高速旋转，以防止电极与涂层或基体材料焊接在一起；保护罩内通氩气保护气体，氩气在电极前端形成等离子体流与保护气氛。
[0028]本发明所制备的金属玻璃涂层经X射线衍射(XRD)证实，其非晶相含量高，制备过程中未发生明显晶化；且涂层与基体间有扩散层，涂层与基体实现了冶金结合，其结合强度高；同时涂层具有很高的致密度。
[0029]本发明所制备的金属玻璃涂层，拓展了镍基非晶合金的潜在应用领域。
[0030]原理和优势
[0031]本发明以涂层材料为阳极，通过焊枪与高频脉冲电源相连接，以工件为阴极；
[0032]工作时，在电极材料与工件接触的瞬间，因短路而产生剧烈的火花放电，在极短的时间内使两电极接触点处的局部区域温度上升到8000-2500(TC，如此高温足以使电极尖端及与其接触的工件表面材料熔化甚至汽化；熔化的电极材料在脉冲电弧引起的爆炸力作用下被抛出，随着等离子体流而被快速溅射到工件表面，在高达105_106K/s的冷却速率下快速凝固而形成金属玻璃涂层。进而解决了镍基合金由于玻璃形成能力低而难于采用超音速火焰喷涂等其它工艺制备金属玻璃涂层的难题。
[0033]本发明阳极材料采用N1-Nb-T1-Zr-Co-Cu系合金和/或Ni_Nb_Zr系合金，在其他条件的协同作用下买确保能得到玻璃化的涂层。
[0034]本发明，制备过程中，控制阳极的旋转速度、保护气体的流速以及冷却速度，能尽可能的避免涂层材料在制备过程中产生晶化等不利影响。
[0035]本发明，所需设备简单，携带方便，使用灵活，可在空气或保护气流中进行手动操作，对工件表面的几何形状无特殊要求；其能量输入低，工件温度可保持在室温，制备过程中所造成的热影响区也很小。
[0036]以下结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明，但本发明的电火花沉积工艺制备金属玻璃涂层方法不局限于实施例。
【附图说明】
[0037]图1为基体与涂层的XRD图谱；
[0038]图2为不同工艺参数所制备的Ni61.5Nb33.5Zr5涂层横截面形貌；
[0039]图3为实施例2所制备附61.5他33.52巧金属玻璃涂层与基体之间界面附近元素线扫描曲线；
[0040]图4为实施例3所制备Ni61.5Nb33.5Zr5金属玻璃涂层与基体之间界面两侧硬度。
[0041]图5为本发明电火花沉积时，所用设备的工作不意图。
[0042]图6为对比例1所得涂层电镜图；
[0043]图7为对比例2系列所得涂层的XRD图。
[0044]图1中，曲线a为实施例中所用T1-Ni基体的XRD图；曲线b为实施例1所制备Ni53Nb2QTi1QZrsCo6Cu3涂层的XRD图；曲线c为实施例2所制备Ni 61.5Nb33.5Zr5涂层的XRD图。从曲线b、曲线c可以看出本发明所值制备涂层的玻璃程度很高，即非晶化程度很高。与激光涂覆、超音速火焰喷涂、等离子喷涂、电弧喷涂等技术制备的涂层相比较，除去基体后，本发明所制备的涂层的非晶程度要远高于现有技术。
[0045]图2中，图2 (a)为实施例2所制备附61.5他33.办5涂层横截面形貌；图2 (b)为实施例3所制备Ni61.5Nb33.5Zr5涂层横截面形貌。
[0046]从图3中可以看出，涂层与基体间有扩散层，这表明两者之间形成了化学冶金结合，结合强度高。
[0047]从图4中可以看出N1-Ti基体合金的硬度仅为HV 235，而所制备的Ni_Nb_Zr金属玻璃涂层的硬度高达HV 980。
[0048]从图5中可以看出本发明电火花沉积时，所用设备的工作状况。
[0049]对比图6和图2可以看出当工艺参数不在本发明所限制的范围内时，其所得涂层的质量远远差于本发明。