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    【科普系列】Fe基非晶粉末应用简介

    发布时间:2021-09-30 16:17:56

                                                                        【科普系列】Fe基非晶粉末应用简介

                                  

    非晶合金,又称金属玻璃(metallic glasses, MGs),因为具有高强度、高硬度和优异的耐磨及耐腐蚀性能受到科学界的青睐,并成为材料学和凝固态物理领域的一个重要研究方向。但非晶合金的制备需要极快的冷却速度(104~106 K/s),这导致了其制备尺寸受限;同时,由于非晶合金室温塑性差,机械加工困难,也因此成为阻碍其推广应用的主要瓶颈。而非晶粉末的成功制备,为块体非晶合金应用难的问题提供了一条崭新的途径。其中,Fe基非晶粉末具有低的材料成本、优异的性能等优势,受到了科研领域的广泛关注,并在涂层制备、磁性材料、激光3D打印、废水处理等领域得到了一定的研究与应用,同时在传感、控制等功能性器件及薄膜等小尺寸、低维材料及柔性电子领域也展现出巨大的应用潜力

     

                                                               Fe基非晶粉末的制备

     目前,Fe基非晶合金粉末的制备方法主要有3种:(1)通过雾化法(主要为气雾化和水雾化)制备非晶合金粉末,此种方法制备的非晶合金粉末成形粒度好, 粒子表面圆滑,可制备多种粒径粉末,适用于 Fe基非晶合金涂层的制备、偶氮染料印染废水降解等多个领域(见图 1);(2)采用高速转轮法制备非晶薄带,再通过机械粉碎将其制备成非晶粉末,但此种方法制备的粉末表面形状不规则,多使用于偶氮染料印染废水降解、非晶磁粉芯制备等领域;(3)运用化学合成方法制备非晶粉末,此种方法制备的非晶粉末多为纳米级超微粉,不需要合金熔炼和冷却设备,能耗较低,在非晶磁粉芯制备等领域具有一定的应用。

                                                                                                        

     

    1 气雾化法制备Fe基非晶粉末(图片来源兰州理工大学李春燕课题组)

     

                                                     Fe基非晶粉末用于涂层制备

    Fe基非晶合金粉末(多为雾化法所制备)制备成涂层,不仅保留了块体Fe基非晶合金的优异性能,而且在制造与再制造领域有极大的应用潜力。通过超音速火焰喷涂(high velocity oxy-fuel,HVOF)(图2)、空气超音速火焰喷涂(high-velocity air fuel,HVAF)、等离子喷涂(plasma spraying, PS)(图3)、激光熔覆(laser cladding,LC)(图4)、冷喷涂(cold gas dynamic spraying,CGDS)和喷射沉积(sprayed position,SD)等技术制备具有一系列优异性能的Fe基非晶合金涂层,引起了科研人员的广泛关注和深入研究。

                                                                                             

     

                                                                                       图2 HVOF工作原理图[1]

                                                    

                                                                                         图3 PS工作原理图(图片来源于网络)

                                                           

                                                                                            图4 LC工作原理图[2]

    2003年美国国防高级研究计划局(defense advanced research projects agency, DARPA)启动了高性能耐磨防腐材料制备计划,来自国家实验室、学校和企业等20 多个机构参加了这个庞大的项目,最终开发和设计出具有优异性能的SAM1651 (Fe48Mo14Cr15Y2C15B6)和SAM2X5 (Fe49.7Cr17.7Mn1.9Mo7.4W1.6 B15.2 C3.8Si2.4 )合金体系。图5为Caterpillar 等采用HVOF 在核废料储存罐体喷涂SAM 1651非晶涂层,这使Fe 基非晶涂层应用于乏核燃料的长期储存的防护中具有非常好前景[3-4]

                                                                                        

                                                                 

     

    5 采用HVOF 在核废料储存罐和防护罩表面制备Fe 基非晶涂层[4]

                                                Fe基非晶粉末用于磁性材料

     Fe基非晶磁性粉末由于具有高频损耗低、磁导率高、矫顽力小、价格低廉等优点已在一些领域取得了应用,如用作电磁器件、电力变压器器件等。研究者已通过雾化法、机械粉碎法以及化学合成法制备出具有优异性能的Fe基非晶磁性粉末,并且提出在非晶磁性粉末表面包覆绝缘层(见图6),减少磁损率(Pcv),提高非晶磁性粉末的性能等一系列优化Fe基非晶磁性粉末磁性能的新方法。

                                                                                         

     

                                                                                       图6 壳体包覆Fe-Si-B-C-Cr/TiO2非晶磁粉芯的合成过程示意图[5]

                                                             Fe基非晶粉末用于激光3D打印

    相比于传统的块体Fe基非晶合金制备方法(如铸造法等),激光3D打印具有可用于实现复杂几何形状构件成形的优势。并且该方法为用于Fe基非晶合金粉末(多为雾化法制备)制备具有先进功能性和结构性的Fe基非晶合金零件提供了新思路,且零件不受尺寸和复杂性的限制。激光3D打印用于制备块体Fe基非晶合金可以分为两大类:激光立体成形技术(laser engineering net shaping,LENS)与激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM),相比于LENS技术,SLM 技术为粉末微熔池提供了更快速的凝固条件(104~106 K/s),这一特点有利于大尺寸三维非晶合金零件的成形,且获得的零件精度更高。Pauly[6]则通过优化SLM 工艺参数(激光功率:320 W,扫描速率3470 mm/s,激光轨迹之间的距离:0.124 mm),由CAD程序生成图7Fe基非晶支架

                                              

                                              

     

                                                                                图7 CAD程序中生成的3D支架结构(a)及位于底板(316L钢)顶部的支架(b)[6]

                                                            Fe基非晶粉末用偶氮染料降解

     近年来,Fe基非晶合金粉末用于降解偶氮染料印染废水的研究被广泛报道出来,由于非晶材料具有亚稳态特性、成分可调和本身固有的脆性等相结合使得其成为降解水污染物的非常有趣的催化材料。Wang等[7]研究了Fe76Si9B10P5非晶合金粉末催化甲基橙染料(MO, C14H14N3SO3Na)和偶氮染料直接蓝6(direct blue6, DB6,  C32H20N6S4O14Na4)的降解行为。研究发现,与工业Fe粉相比,非晶合金粉末对偶氮染料的降解效果更好,降解效率更高(见图8)。

                                                                               

                                                                          图8 Fe基非晶合金粉末在298 K降解MO(a),DB6(b)溶液的不同时间紫外可见光谱[7]

     

     Fe基非晶粉末作为非晶合金材料中的一种,在涂层制备、磁性材料、激光3D打印、废水处理等领域都有着广泛的应用。目前就Fe基非晶涂层和激光3D 打印制备非晶合金构件待解决的主要问题有:如何降低涂层孔隙率和提高涂层与基体的结合强度,3D打印非晶合金构件如何实现更低成本、更快速地制备具有表面成形度好、构件成形后非晶相含量高及强度等符合实际应用;Fe基非晶磁粉如何通过后处理进一步提高磁性能,以及老化的非晶磁粉芯中的Fe基非晶磁粉末怎样在废水处理方面得到二次利用。还需要指出的是,近年LC在非晶增材制造领域取得了一定的应用,通过LC对构件表面进行修复和强化,改进构件的几何外形,让构件的几何外形有着更独特的特点,使构件应用范围更广。但目前采用LC直接加工非晶构件还具有一些困难,对于结构复杂的非晶构件还无法完美成形。但应用LC焊接非晶构件以代替传统焊接方法具有巨大的应用潜力,这也为Fe基非晶粉末在LC焊接方面的研究提供了一个更广阔的未来。同时,研究人员为进一步拓宽Fe基非晶粉末的应用领域,在传感器、磁导航、无人驾驶技术、石化催化剂等先进技术领域一直不懈努力和奋斗,使得Fe基非晶粉末有望在多个领域蓬勃发展。

     

     

    参考文献

    [1]LI C Y, WANG H B, DING J Q, et al. Effects of heattreatment on HVOF-sprayed Fe based amorphous coatings[J].Surface Engineering, 2020.doi:10.1080/02670844.2020.1759936

    [2]SAMEEHAN S J, SHRAVANA K, HARPREET S A, et al. Amorphous coatings and surfaces on structural materials[J]. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 41(1):1-46.

    [3]FARMER J, CHOI J S, SAW C, et al. Iron-based amorphous metals: high-performance corrosion-resistant material development[J].Metallurgical and MaterialsTransactions A, 2009, 40(6):1289-1305.

    [4]BLINK J, FARMER J, CHOI J, et al. Applications inthe nuclear industry for thermalspray amorphous metal and ceramic coatings[J].Metallurgical and MaterialsTransactions A, 2009, 40(6):1344-1354.

    [5]ZHOU B,DONG Y Q,LIU L,et al.The core-shell structured Fe-based amorphous magnetic powder cores with excellent magnetic properties[J].Advanced Powder Technology,2019,30:1504-1512.

    [6]PAULY S,LÖBER L,PETTERS R,etal.Processing metallic glasses by selective laser melting[J].Materials Today,2013,16(1/2):37-41.

    [7]WANG F,WANG H,ZHANG H F,et al.Superior azo-dye degradation of Fe-Si-B-P amorphous powders with graphene oxide addition[J].Journal of Non-Crystalline Solids,2018,491:34-42.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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