高质量Fe基非晶涂层的制备工艺和耐辐照性能研究

Fe-based amorphous alloys have great application prospects as structural and/or functional materials in the fields of aerospace, automobile,.chemical industry, energy resource, military equipment, daily necessities and so on, due to their excellent soft magnetic property, low cost, ultra-high strength and excellent wear and corrosion resistances. However, the limited glass forming ability and brittleness impose restrictions on their wide commercial usage. Thus developing or taking advantage of advanced material processing technology to make best use of the superior physical and chemical properties of Fe-based amorphous alloy remains an important issue to be resolved. In order to promote the application of Fe-based amorphous alloys in the nuclear shielding field， in this project, we first develop new Fe-based amorphous alloy compositions using the alloying method and the glass forming rules. And then high velocity air-fuel (HVAF) spraying method will be used to produce high quality Fe-based amorphous coating and the service performance of the Fe-based amorphous coating will be investigated systematically under complex irradiation environments. Finally the microstructure, glass formation and the mechanisms of the physical/chemical properties will be explored in detail. This project will improve our understanding of the central issues in amorphous.metals, such as glass formation, physical and metallurgical process of amorphous alloys, and provide strong theoretical guidance for expanding application scope of Fe-based amorphous alloys in nuclear industry and other radiation environment.

由于优异的软磁性能、 高强度、优异的耐磨耐蚀性及低廉的成本， Fe 基非晶合金在航空航天、汽车、化工、能源、军事和生活用品等领域作为结构或功能材料具有巨大的应用前景，然而其有限的玻璃形成能力和室温脆性一直是制约 Fe 基非晶合金广泛应用的瓶颈。因此，如何利用和发展先进的材料加工技术充分发掘其多种优异的物理化学性能，成了亟待解决的重要课题。为了促进 Fe 基非晶合金在辐照领域的应用，本项目拟运用合金化方法并基于非晶合金玻璃形成有关理论和经验规则，设计具有优异中子吸收和抗辐照能力的 Fe 基非晶合金成分，采用超音速火焰喷涂方法制备高质量的非晶合金涂层，系统评价合金材料在中子吸收能力和耐辐照（原子氧、氩和He等离子）能力，并从微观原子和电子结构深入分析其玻璃形成以及物理化学性能机理。本项目的研究将加深对非晶合金材料玻璃形成和物理冶金过程等核心科学问题的理解，并促进其在辐照环境中的应用。

Fe基非晶合金具有优异的软磁性能、高强度、高耐磨性、优异的耐腐蚀性，具有广阔的应用前景。作为一种新型高性能金属工程材料，三维大尺寸Fe基非晶合金材料的制备及其应用技术，一直是非晶材料领域关注的重要课题之一。然而，由于Fe基非晶合金尺寸上的限制，几乎没有宏观塑性变形，难以作为一种结构材料而获得广泛应用。若将非晶合金以涂层的形式涂覆于常规韧性金属材料表面是有效解决上述缺点，在很多方面可以极大拓展其商业化应用。本项目设计了一系列新型的具有优异性能的Fe基非晶合金成分，系统研究了涂层制备工艺对涂层的质量和性能的影响，并对涂层的力学、耐腐蚀、磁性、耐辐照性能做了仔细研究。研究发现制备的涂层具有高的非晶度，高的硬度和良好的耐腐蚀性能。涂层的耐磨性比基体304不锈钢要好。涂层和基体的磨损机制都有犁作用，但是涂层中还发生了剥层磨损，这是由裂纹萌生和扩展导致的。剥层磨损更容易发生在孔洞区域，而导致耐磨性能降低。因此优化工艺参数喷涂出孔隙率更低的涂层是提高涂层耐磨性的一个重要方法。并发现涂层的微裂纹恶化了涂层的耐腐蚀性能。腐蚀溶液可以渗入涂层的微裂纹中，使基体被直接腐蚀。此外，与涂层接触的基体的点蚀电位低于无涂层的基体的点蚀电位，主要原因是贯穿型微裂纹引起的缝隙腐蚀。结果有涂层的基体比无涂层的基体更容易被被腐蚀。采用磷酸铝封孔剂对涂层进行封孔处理，磷酸铝封孔剂可以渗入涂层的微裂纹中，深度大约为100 μm。在封孔处理后，涂层中的微裂纹会被填充封堵，阻止了腐蚀溶液的渗入。基体的腐蚀产生了大量腐蚀产物，对未封孔涂层的腐蚀过程有很大影响。制备的一种涂层还具有良好的耐辐照（Ar离子）性能，辐照前后均为非晶结构，同时辐照显著提高了涂层硬度。此外，我们设计的某些Fe基非晶合金具有优异的软磁性能，而且辐照会进一步提高其软磁性能。我们的研究工作对于深入认识制备的工艺参数对涂层质量的影响规律、促进Fe基非晶合金涂层更广泛应有等具有重要的意义。