辛 蔚，王玉江，魏世丞，王 博，梁 義，袁 悅，徐濱士

陸軍裝甲兵學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072

非晶合金是一種打破了傳統(tǒng)合金“晶體”基本概念的新型合金，區(qū)別于傳統(tǒng)合金原子排列長程有序的特征，非晶合金中金屬原子無序排列，表現(xiàn)出長程無序、短程有序的特點(diǎn). 得益于其獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)，非晶合金展現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)合金的力學(xué)性能[1-3]、耐蝕性[4-6]等，而且具有儲(chǔ)氫性能[7-8]、電磁性能[9-13]等特殊性能. 目前，非晶合金不僅已被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械制造等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，而且已經(jīng)被應(yīng)用于化工[14-15]、環(huán)保[16]、醫(yī)療[17]等其他領(lǐng)域，應(yīng)用潛力巨大.

由于塊體非晶合金制備成本較高，且應(yīng)用范圍受限，因此對(duì)于非晶合金涂層的研究與制備成為了非晶合金領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向. 目前國內(nèi)外用于制備非晶合金涂層的技術(shù)主要有激光熔覆[18-20]、磁控濺射[21-23]和熱噴涂等. 相比其他幾種技術(shù)，熱噴涂技術(shù)具有高效率、低成本的優(yōu)勢，而且熱噴涂技術(shù)涂層的冷卻速度可以達(dá)到105～108K·s-1，具有優(yōu)異的非晶形成能力（GFA），適合制備大面積防腐、耐磨涂層應(yīng)用于海洋工程、采油工程等大型設(shè)備的防護(hù)與再制造，工業(yè)應(yīng)用潛力巨大.

熱噴涂[24]是一種利用高溫?zé)嵩慈刍繕?biāo)材料，并通過高壓氣體使其在基體表面沉積形成致密涂層的技術(shù)，而在1984年，日本研究人員Miura等[25]在低碳鋼基體上利用火焰噴涂的方法制備了一種Fe-Ni復(fù)合基非晶合金涂層，第一次把熱噴涂技術(shù)與非晶合金聯(lián)系起來，也由此掀起了熱噴涂制備非晶合金涂層的研究熱潮. 目前，用于制備非晶合金涂層的熱噴涂方法主要有超音速火焰噴涂、等離子噴涂、高速電弧噴涂、冷噴涂和爆炸噴涂等，并通過以上方法制備了Fe基、Al基、Ni基、Mo基等具有較高耐磨性和耐蝕性的非晶合金涂層. 本文首先介紹了非晶合金涂層的理論基礎(chǔ)，然后從涂層的耐磨性和耐蝕性出發(fā)，系統(tǒng)地闡述了國內(nèi)外利用不同熱噴涂技術(shù)制備的非晶合金涂層性能的研究發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了目前研究中存在的局限性和問題，最后，針對(duì)性地提出未來的研究發(fā)展方向.

1 非晶合金理論基礎(chǔ)

非晶合金是一種由原子的無序排列構(gòu)成的物質(zhì)，其原子排列結(jié)構(gòu)具有長程無序、短程有序的特點(diǎn)，是一種微觀上“不均勻”的特殊合金. 非晶合金的不均勻性表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的不均勻性和元素分布的不均勻性.

非晶合金的不均勻性決定了其具有不同于傳統(tǒng)合金的優(yōu)異性能. 結(jié)構(gòu)的不均勻性：2004年Miracle提出了非晶合金的“團(tuán)簇密堆”模型[26]，其長程無序體現(xiàn)在非晶合金是以原子團(tuán)簇隨機(jī)密堆而成，而短程有序則體現(xiàn)在原子團(tuán)簇是由幾個(gè)原子有序堆疊而成. 非晶合金在結(jié)構(gòu)上的不均勻性，就取決于原子團(tuán)簇在結(jié)構(gòu)上的差異性. 因此，不同的合金體系由于原子團(tuán)簇的差異性導(dǎo)致性能差異很大，而通過添加微量元素，改變?cè)訄F(tuán)簇的類型，最終也可以導(dǎo)致性能出現(xiàn)巨大改變；非晶合金元素分布的不均勻性，是由于其多為三元以上合金，不同種類的原子在成鍵能力和混合焓上必然存在一定的差異，因而非晶合金在局部體現(xiàn)了元素分布的不均勻性. 而且，由于非晶合金是由原子團(tuán)簇堆疊而成，那么元素分布的不均勻性必然導(dǎo)致原子團(tuán)簇類型的改變，因此可以通過控制元素的分布實(shí)現(xiàn)對(duì)非晶合金結(jié)構(gòu)不均勻性的調(diào)控.

非晶形成的條件是“過冷”，如圖1所示[27]，為非晶(Glass)和晶體(Crystal)的形成過程，Tm為熔化溫度、Tga為較慢冷卻速度下的晶化開始溫度、Tgb為較慢冷卻速度下的晶化開始溫度. 溫度迅速地降低導(dǎo)致液體的黏度升高，因而結(jié)晶這一動(dòng)力學(xué)過程就變得異常緩慢，并且在某一非平衡態(tài)的溫度下形成“玻璃態(tài)”即沒有規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)的“凍結(jié)的液體”[28]. 熱噴涂技術(shù)具有熱源溫度高，冷卻速度快的特點(diǎn)，冷卻速度可以達(dá)到106K·s-1，符合非晶形成條件，因此熱噴涂技術(shù)是一個(gè)有效的制備非晶合金涂層的方法.

圖1 非晶和晶體的形成過程[27]Fig.1 Diagram of the formation of amorphous and crystal materials[27]

2 熱噴涂制備非晶合金涂層性能的研究現(xiàn)狀

熱噴涂與其他制備非晶合金涂層的技術(shù)相比，雖然工程應(yīng)用的性價(jià)比很高，但其技術(shù)特點(diǎn)決定了熱噴涂涂層具有難以消除的孔隙、裂紋、氧化物等固有缺陷，以及噴涂過程中難以控制的微觀組織結(jié)構(gòu)變化. 為追求工程應(yīng)用的高性價(jià)比，目前，熱噴涂法主要用來制備Fe基、Al基等非晶形成能力較高且成本較低的非晶合金涂層，本文重點(diǎn)討論非晶合金涂層耐磨性和耐蝕性兩種性能的研究現(xiàn)狀.

2.1 耐磨性

非晶合金涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能，例如高硬度、高彈塑性、高韌性等，而非晶合金涂層優(yōu)異的摩擦性能也是由這些力學(xué)性能共同作用而成的. 而且由于熱噴涂技術(shù)的固有特性，在噴涂過程中不可避免地產(chǎn)生氧化和再結(jié)晶，因此很難得到完全非晶結(jié)構(gòu). 正是利用這一特性，研究人員利用熱噴涂制備的非晶合金涂層大部分含有納米晶相，且作為彌散強(qiáng)化相極大程度地提高了熱噴涂非晶合金涂層的耐磨性.

Guo等[29]利用超音速火焰噴涂制備了兩種涂層，分別為Fe49.7Cr18Mn1.9Mo7.4W1.6B15.2C3.8Si2.4非晶合金涂層和Fe44.6Cr28Mn0.8Mo2.5C7.6Si2.4Ni14.1不銹鋼耐磨涂層，并研究了2種涂層在不同載荷下的干摩擦性能差異，如圖2所示. 研究結(jié)果表明，非晶合金涂層(ASC)在4種載荷下的摩擦系數(shù)(COF)較為穩(wěn)定，且隨法向載荷增加，摩擦系數(shù)從0.78下降到0.69，而不銹鋼涂層(SSC)的摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)摩擦?xí)r間增加而增大且波動(dòng)較大，這是由于不銹鋼涂層表面在摩擦的過程中發(fā)生了局部斷裂，產(chǎn)生的磨屑加劇了磨損，而且隨時(shí)間增加，磨屑脫落產(chǎn)生了表面剝層現(xiàn)象，此過程往復(fù)發(fā)生. 因此相較于不銹鋼涂層，非晶合金涂層在長時(shí)間內(nèi)磨損量更低，具有更優(yōu)異的耐磨性.

圖2 不同載荷下摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化[29]. （a）非晶合金涂層（ASC）；（b）不銹鋼涂層（SSC）Fig.2 Variation of COFs with sliding time[29]: (a) amorphous steel coating; (b) stainless steel coating

上述研究表明，熱噴涂非晶合金涂層相比于傳統(tǒng)合金耐磨涂層具有更優(yōu)異的耐磨性，在此研究基礎(chǔ)上，研究人員探究了噴涂工藝參數(shù)對(duì)非晶合金涂層耐磨性的影響. Nayak等[30]利用超音速火焰噴涂制備了一種FeCrBPC非晶涂層，并研究了不同送粉率對(duì)涂層耐磨性的影響，如圖3所示.研究表明，隨著送粉率的增加，涂層的致密性和耐磨性顯著提高，且涂層3的磨損量僅為基體的1/4，為不銹鋼耐磨涂層的1/3. 通過對(duì)比X射線衍射結(jié)晶峰和非晶峰的區(qū)域面積，估計(jì)涂層1、2、3的非晶質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為71%、77%、81%，隨著送粉率的增加，噴涂過程中的氧化降低且結(jié)晶相形成較少，因此涂層的非晶含量和致密性均有所提高，耐磨性增強(qiáng).

圖3 不同送粉率下涂層的X射線衍射圖譜[30]Fig.3 XRD patterns of the various high-velocity oxygen-fuel sprayed coatings prepared with different powder feed rates[30]

Cheng等[31]利用等離子噴涂制備了一種Fe43Cr16Mo16(C,B, P)25非晶合金涂層，并研究了不同噴涂功率下的涂層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的滑動(dòng)摩擦性能. 如圖4所示，噴涂功率在42 kW時(shí)，非晶合金涂層具有最優(yōu)的耐磨性，且優(yōu)于噴涂功率在28 kW時(shí)制備的非晶合金涂層和EQ70船用鋼. 這是由于涂層的磨損機(jī)制為分層磨損伴隨嚴(yán)重的腐蝕破壞，因此在腐蝕工作環(huán)境下涂層致密性和耐蝕性的提高決定了耐磨性的提升.

圖4 不同條件下實(shí)驗(yàn)樣品的磨損率和摩擦系數(shù)[31]Fig.4 Wear rates and friction coefficients of the tested samples[31]

上述研究表明，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)可以提高非晶合金的耐磨性，而Cheng等[32]利用高速電弧噴涂制備了一種FeBSiNb涂層，并研究了不同熱處理溫度對(duì)非晶合金涂層耐磨性的影響，如圖5所示. 研究表明，隨熱處理溫度升高，涂層的磨損量顯著下降，硬度與彈性模量比值H/Er增大，即材料的承載能力提高. 這是由于非晶合金涂層在經(jīng)過熱處理后析出納米晶相Fe23B6，起到了彌散強(qiáng)化的作用，而且析出的其他晶相起到了固溶強(qiáng)化的作用，涂層的硬度和彈性均有顯著提高，因此耐磨性隨退火溫度的升高而提高，在650 ℃下退火，涂層表現(xiàn)出最好的耐磨性.

圖5 不同熱處理溫度下涂層磨損量與H/Er的關(guān)系[32]Fig.5 Relationship between the wear loss and the H/Er ratio for the coating[32]

上述研究表明非晶合金涂層具有良好的耐磨性，且可以通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)和涂層熱處理進(jìn)一步提高其耐磨性. 在此研究的基礎(chǔ)上，研究人員對(duì)不同工況下非晶合金涂層的摩擦行為及摩擦磨損機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)地研究. Liang等[33]利用超音速火焰噴涂制備了一種Fe43Cr20Mo10W4C15B6Y2非晶合金涂層，并對(duì)比了其在真空(Vac.)和大氣(Air) 2種環(huán)境下的高溫摩擦學(xué)性能. 如圖6所示，涂層的磨損率均顯著小于在真空環(huán)境下，當(dāng)溫度從293升高到673 K時(shí)，涂層的磨損率從2.71×10-6降低到1.44×10-6mm3·N-1·m-1，而在大氣環(huán)境下，當(dāng)溫度為 673 K時(shí)，涂層的磨損率為 6.43×10-6mm3·N-1·m-1. 研究表明，涂層在真空中表現(xiàn)了極佳的高溫耐磨性，而在大氣環(huán)境下，涂層表現(xiàn)出于真空環(huán)境下不同的磨損機(jī)制.

圖6 不同摩擦學(xué)條件下鐵基非晶合金涂層和基體的磨損率[33]Fig.6 Wear rates of Fe-based amorphous coatings and the reference 316L crystalline steels under various sliding conditions[33]

如圖7所示在真空環(huán)境中，層間在摩擦力的切向作用下產(chǎn)生了裂紋，而后裂紋擴(kuò)展并形成碎片脫落，摩擦過程為典型的分層磨損和粘著磨損. 而在大氣環(huán)境中，高溫下層間迅速氧化，而后氧化物形成碎片脫落，隨之涂層繼續(xù)氧化，上述過程循環(huán)往復(fù)，摩擦過程分層、粘著磨損并伴隨著嚴(yán)重的氧化磨損，磨損量顯著大于真空環(huán)境.

圖7 鐵基非晶合金涂層在不同條件下的高溫摩擦學(xué)模擬圖[33]. （a）真空；（b）大氣Fig.7 Modeling illustrations of the elevated-temperature tribology process for the Fe-based ACs[33]: (a) vacuum; (b) air

上述研究表明，不同的摩擦環(huán)境對(duì)非晶合金涂層耐磨性有顯著的影響，而Li等[34]利用爆炸噴涂制備了一種FeCrMoCB非晶合金涂層，并研究了不同的載荷和滑動(dòng)速度對(duì)涂層耐磨性的影響.研究表明涂層的磨損率對(duì)于滑動(dòng)速度的敏感性大于載荷重量，在低速滑動(dòng)（0.1～0.5 m·s-1）下，磨損率較低且穩(wěn)定，在高速滑動(dòng)（0.5～1 m·s-1）下，磨損率呈線性升高. 磨損機(jī)理如圖8所示，在低速滑動(dòng)時(shí)涂層表面產(chǎn)生氧化膜和少量的納米晶相，因此硬度提高，耐磨性較好. 在高速滑動(dòng)時(shí)，涂層表面結(jié)晶嚴(yán)重且產(chǎn)生了較多的脆性氧化物，涂層中裂紋擴(kuò)展加劇，形成氧化磨損和分層磨損結(jié)合的摩擦機(jī)制，因此磨損率顯著提升.

圖8 鐵基非晶合金涂層磨損機(jī)理圖[34]Fig.8 Schematic diagram showing the wear mechanisms in the Fe-based amorphous coating[34]

綜上所述，非晶合金涂層特殊的微觀組織結(jié)構(gòu)決定了其具有良好的耐磨性，而包括非晶含量，孔隙、裂紋、氧化物等涂層缺陷在內(nèi)的多種因素，通過影響涂層微觀組織結(jié)構(gòu)從而影響了涂層耐磨性的發(fā)揮. 因此通過調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)、涂層熱處理等方法均可以通過提高涂層質(zhì)量來提高其耐磨性. 而且在不同工況下，非晶合金涂層表現(xiàn)出不同的摩擦磨損機(jī)制，這些理論也為熱噴涂非晶合金涂層的工業(yè)應(yīng)用研究打下良好基礎(chǔ).

2.2 耐蝕性

由于不同于傳統(tǒng)合金的晶體結(jié)構(gòu)，非晶合金幾乎不含晶界這種傳統(tǒng)的晶體缺陷，由于腐蝕一般起源于晶界處，因此非晶合金的耐蝕性優(yōu)于傳統(tǒng)合金. 但影響非晶合金涂層的耐蝕性的因素還有很對(duì)，例如涂層的孔隙率、厚度、元素種類、熱處理工藝等均會(huì)對(duì)非晶合金涂層的耐蝕性產(chǎn)生影響.

Huang等[35]在AISI 1045低碳鋼基體上利用超音速火焰噴涂制備了一種Fe48Cr15Mo14C15B6Y2非晶合金涂層，并對(duì)比研究了基體、非晶合金涂層和316L不銹鋼在中性鹽霧環(huán)境條件下的腐蝕性能. 如圖9所示，研究表明，涂層相較于基體具有更高的腐蝕電位和更低的腐蝕電流密度，說明相較于基體，涂層表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐蝕性. 而316L不銹鋼相較于涂層表現(xiàn)出了更高的腐蝕電位和更低的腐蝕電流密度，但涂層的鈍化區(qū)寬度高于316L不銹鋼，說明涂層在腐蝕條件下更容易自發(fā)地鈍化形成保護(hù)層，耐蝕性相對(duì)更好，而且通過中性鹽霧實(shí)驗(yàn)也可發(fā)現(xiàn)該涂層具有良好的抵抗長期腐蝕的能力，有很大的工業(yè)應(yīng)用潛力.

圖9 涂層、316L鋼和1045鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線[35]Fig.9 Potentiodynamic polarization curves of the high-velocity air-fuel coating, 316L steel, and 1045 steel in mass fraction of 3.5% NaCl solution[35]

Wang等[36]利用超音速火焰噴涂制備了一種Fe42.87Cr15.98Mo16.33C15.94B8.88非晶合金涂層，并對(duì)比研究了涂層與不銹鋼在2 mol·L-1的NaOH溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中的耐蝕性，研究表明，無論在中性鹽溶液或是堿性溶液中，非晶合金涂層相較不銹鋼涂層均具有更高的腐蝕電位，更低的腐蝕電流密度以及更寬的鈍化區(qū)域. 如圖10所示，圖10（b）中標(biāo)記部分為不銹鋼在堿性溶液中腐蝕產(chǎn)生的裂紋，在圖10（d）中也可以清晰地看到不銹鋼在中性鹽溶液中產(chǎn)生的腐蝕孔洞，說明非晶合金涂層相較不銹鋼涂層具有更好的抵抗局部腐蝕的能力.

圖10 電化學(xué)試驗(yàn)后的表面形貌圖[36]. 2 mol·L-1 NaOH溶液中的涂層（a）和不銹鋼（b）；3.5% NaCl溶液中的涂層（c）和不銹鋼（d）Fig.10 SEM images of surfaces after the electrochemical test[36]:coating (a) and stainless steel (b) in 2 mol·L-1 NaOH solution; coating (c)and stainless steel (d) in 3.5% NaCl solution

上述研究表明，熱噴涂制備的非晶合金涂層具有比不銹鋼等傳統(tǒng)防腐涂層更優(yōu)異的耐蝕性.研究人員在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索提升涂層耐蝕性的方法. Kumar等[37]利用等離子噴涂制備了一種FeCrSiBC非晶合金涂層，并研究了噴涂功率對(duì)耐蝕性的影響規(guī)律. 如圖11所示，當(dāng)噴涂功率為29 kW時(shí)涂層腐蝕電流密度最低，為 16 μA·cm-2，腐蝕電位為-0.615 V，相對(duì)較高，且涂層的腐蝕率分別為基體的1/2和鍍鋅鋼(Galvanized steel)的1/3，此時(shí)非晶涂層表現(xiàn)出最優(yōu)的耐蝕性. 這是由于非晶合金涂層的耐蝕性是由非晶含量與孔隙率共同影響的. 噴涂功率過低，涂層的致密性較低，腐蝕易發(fā)生在孔隙處，涂層耐蝕性降低；但噴涂功率過高，致密性雖然顯著提升，但非晶含量會(huì)隨著晶相的析出而降低，腐蝕會(huì)優(yōu)先發(fā)生在氧化物相和納米晶相處，耐蝕性同樣會(huì)降低. 因此，當(dāng)噴涂功率為29 kW時(shí)，涂層的致密性與非晶含量匹配最佳，耐蝕性最佳. 因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)膰娡抗β?，以平衡涂層致密性和非晶含量之間的關(guān)系，從而最大限度地提高涂層的耐蝕性.

圖11 不同噴涂功率下的非晶合金涂層、基體和鍍鋅鋼的動(dòng)電位極化曲線[37]Fig.11 Potentiodynamic polarization curves of the Fe-based composite coatings, deposited with various plasma powers, in comparison with galvanized steel and mild steel substrate[37]

Kumar等[38]在上述研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究了等離子噴涂功率和涂層厚度對(duì)耐蝕性的影響，分別利用等離子噴涂在25、30和35 kW的噴涂功率下制備2種厚度的Fe基非晶合金涂層，分別噴涂2道和3道. 研究結(jié)果表明，噴涂功率在30 kW時(shí)，噴涂3道的涂層展現(xiàn)出最優(yōu)的耐蝕性. 噴涂功率對(duì)涂層耐蝕性的影響規(guī)律與Kumar等[37]的研究結(jié)果相吻合，而且涂層越厚，孔隙率越低，涂層的耐蝕性更好.

上述研究表明，可以通過調(diào)節(jié)噴涂工藝參數(shù)和調(diào)節(jié)涂層厚度等方式，合理優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，從而有效地提升涂層的耐蝕性. Liu等[39]利用超音速等離子噴涂制備了一種FeCrNbB非晶合金涂層，并研究了其在不同熱處理溫度下耐蝕性的變化.如圖12所示，隨著退火溫度升高，腐蝕失重速率迅速升高，當(dāng)退火溫度為650 ℃時(shí)，腐蝕失重量最大，約為未經(jīng)熱處理涂層損失量的4.5倍. 由于超音速等離子噴涂的涂層致密性非常好，因此在研究中只考慮熱處理溫度對(duì)涂層耐蝕性的影響，而忽略孔隙率的影響，熱處理溫度升高，涂層中非晶含量減少，晶體相析出且涂層出現(xiàn)元素偏析等現(xiàn)象，因此耐蝕性顯著下降.

圖12 腐蝕條件下退火溫度對(duì)質(zhì)量損失的影響[39]Fig.12 Effect of annealing temperature on the mass loss[39]

上述研究表明非晶合金涂層具有優(yōu)異的耐蝕性，并可以通過優(yōu)化噴涂工藝設(shè)計(jì)提高涂層的耐蝕性，作為防腐涂層具有巨大的工程應(yīng)用前景，尤其在鎂合金防腐領(lǐng)域已取得了一定的研究進(jìn)展. Zhang等[40]利用高速電弧噴涂在AZ91鎂合金基體上制備了一種Al基非晶合金涂層，并對(duì)比涂層與基體的耐蝕性. 研究表明這種Al基非晶涂層具有優(yōu)于鎂合金基體的耐蝕性，可以應(yīng)用于鎂合金防腐領(lǐng)域.而Guo等[41]利用超音速火焰噴涂在AZ91鎂合金基體上制備了一種Fe基非晶合金涂層，以更低的成本制備一種更穩(wěn)定的保護(hù)涂層，如圖13所示為該非晶合金涂層的質(zhì)量損失曲線和差示掃描量熱分析曲線，研究表明，隨著浸泡時(shí)間的增加鎂合金基體的質(zhì)量不斷降低而涂層的質(zhì)量幾乎不變，且該非晶合金涂層的結(jié)晶溫度Tx=911 K，說明該Fe基非晶合金涂層不僅具有較好的耐蝕性，而且在較高的溫度下仍可保持非晶態(tài)，結(jié)構(gòu)性能較穩(wěn)定.

圖13 涂層性能表征. （a）質(zhì)量隨浸泡時(shí)間的變化；（b）涂層的差示掃描量熱分析曲線[41]Fig.13 Performance characterization of coating: (a) mass as a function of immersion time; (b) DSC curve of the outer Fe-based amorphous coating[41]

綜上所述，由于沒有晶界等易發(fā)生腐蝕的晶體缺陷，非晶合金涂層的耐蝕性優(yōu)于傳統(tǒng)的防腐涂層. 然而涂層的耐蝕性是由多個(gè)因素共同影響的，例如涂層非晶含量、孔隙率等缺陷、厚度、元素分布等因素都可以影響涂層的耐蝕性，因此可以通過優(yōu)化噴涂工藝設(shè)計(jì)或封孔等涂層后處理技術(shù)提高非晶合金涂層的耐蝕性. 由于涂層具有較好的熱穩(wěn)定性，目前非晶合金涂層已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程上的防腐應(yīng)用，例如鎂合金的防腐、水上裝備的防腐[42]等.

2.3 涂層質(zhì)量

非晶合金涂層質(zhì)量由非晶含量、涂層孔隙、裂紋、氧化物等缺陷決定，涂層質(zhì)量直接影響了其微觀組織結(jié)構(gòu)，從而極大程度地影響了非晶合金涂層的耐磨性與耐蝕性. 因此，如何通過提高非晶合金涂層的質(zhì)量從而提升涂層的性能已然成為非晶合金涂層耐磨性、耐蝕性等性能研究的關(guān)鍵一環(huán).目前，提升非晶合金涂層質(zhì)量的方法主要有改善工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)以及涂層后處理等方法.

Kim等[43]改善了等離子噴涂的工藝，分別用真空等離子噴涂（VPS）和大氣等離子噴涂（APS）2種技術(shù)制備了Fe46.8Mo30.6Cr16.6C4.3B1.7非晶合金涂層，并對(duì)比了2種涂層的微觀組織結(jié)構(gòu)，涂層質(zhì)量以及耐蝕性. 研究表明，VPS制備的非晶合金涂層孔隙率更低、非晶含量更高，而APS制備的涂層中出現(xiàn)了少量尺寸為3.5～4.5 nm的納米晶相，這是由于APS方法在制備涂層的過程中飛行粒子暴露在空氣中產(chǎn)生氧化相，氧化反應(yīng)放熱促進(jìn)了結(jié)晶的發(fā)生，而VPS制備涂層的過程發(fā)生在真空環(huán)境下，不存在氧化結(jié)晶現(xiàn)象，因此非晶含量高于APS制備的涂層，且孔隙率更低，顯然耐蝕性更好. 大量研究表明[44-46]，改善工藝可以有效地提高非晶合金涂層質(zhì)量，從而提升其耐磨性和耐蝕性.相比改善工藝，通過優(yōu)化工藝參數(shù)[47-48]減小涂層的孔隙、裂紋、氧化物等缺陷，從而提高非晶合金涂層質(zhì)量，是一種有效地提升非晶合金涂層耐磨性和耐蝕性的方法，通過控制變量法或正交實(shí)驗(yàn)法等實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，調(diào)節(jié)對(duì)涂層質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)，從而在有限的實(shí)驗(yàn)條件內(nèi)獲得最優(yōu)的涂層. 對(duì)于制備好的涂層，合理的后處理工藝也能有效地提高非晶合金涂層的質(zhì)量，從而提升耐磨性和耐蝕性. 涂層熱處理[49]，可以促進(jìn)非晶合金涂層中析出納米晶相從而提高耐磨性，也可以一定程度上減小涂層的孔隙率從而提高其耐蝕性，但熱處理過程中形成的納米晶化相會(huì)降低涂層的耐蝕性，因此要選擇合適的熱處理溫度. 涂層封孔[50-51]作為一種后處理工藝，也可以通過降低涂層的孔隙率從而有效地提升涂層的耐蝕性和耐磨性.

綜上所述，目前對(duì)于熱噴涂非晶合金涂層耐磨性和耐蝕性的研究重點(diǎn)主要有兩個(gè)，一是通過改善工藝、優(yōu)化工藝參數(shù)和涂層后處理等方法提高涂層的質(zhì)量，從而有效地提高涂層的耐磨性或耐蝕性；二是通過研究不同工況下不同因素對(duì)非晶涂層耐磨性和耐蝕性的影響機(jī)制，從而在不同的工況下針對(duì)性地提高非晶合金涂層的性能效益.

3 結(jié)論

目前熱噴涂是制備非晶合金涂層的一個(gè)十分有效的方法，具有低成本、高效率的特點(diǎn)，應(yīng)用發(fā)展?jié)摿薮?，但目前?duì)于其性能的研究還存在一定的局限性，其性能研究的局限性應(yīng)歸因于以下三點(diǎn)問題：

（1）對(duì)于非晶合金基礎(chǔ)理論的研究還處在起步階段：非晶合金的諸多優(yōu)異性能均來自其獨(dú)特的微觀組織結(jié)構(gòu)，然而目前對(duì)于非晶合金結(jié)構(gòu)不均勻性的認(rèn)知還只停留在定性分析上. 首先，對(duì)于非晶合金長程無序、短程有序的特點(diǎn)和規(guī)律還沒有系統(tǒng)性的把握，更無法通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證理論分析；其次，沒有開發(fā)出一套完整的理論來表征材料的非晶形成能力（GFA），對(duì)于非晶合金的非晶形成能力仍停留在試驗(yàn)性和經(jīng)驗(yàn)性的階段，無法指導(dǎo)材料成分的設(shè)計(jì)；最后，沒有開發(fā)出表征非晶合金涂層非晶含量的標(biāo)準(zhǔn)方法，目前已知的方法有利用X射線衍射、透射電鏡和差式掃描量熱分析對(duì)非晶合金涂層的非晶含量進(jìn)行定性估計(jì)和定量計(jì)算，但方法較為繁瑣而且沒有一套國際上認(rèn)定的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn). 因此，未來研究發(fā)展方向應(yīng)該是致力于建立一個(gè)完整的非晶合金理論體系，通過大量的計(jì)算機(jī)模擬手段來研究非晶合金特殊微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，并大力研究影響非晶合金非晶形成能力的因素，最后通過大量的經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，開發(fā)出定量表征非晶合金涂層非晶含量的國際標(biāo)準(zhǔn).

（2）熱噴涂制備非晶合金涂層的合金體系種類少：決定熱噴涂涂層性能多樣性的首要條件就是熱噴涂材料的多樣性，目前利用熱噴涂制備的非晶合金涂層體系主要是Fe基，Al基等已知非晶形成能力較強(qiáng)且材料成本較低的體系，也有少數(shù)Ni基、Co基、Mo基材料用于非晶合金涂層的制備，因此，目前對(duì)于熱噴涂非晶合金涂層的性能的研究有較大的局限性. 為拓展熱噴涂制備非晶合金涂層的性能研究及應(yīng)用范圍，熱噴涂材料的開發(fā)成為了未來發(fā)展的重點(diǎn)，而開發(fā)類似于高熵非晶合金或其他具有特殊性能的合金體系則更有助開發(fā)非晶合金涂層其他優(yōu)異性能.

（3）制備非晶合金涂層的熱噴涂技術(shù)有待開發(fā)：目前制備非晶合金涂層的熱噴涂技術(shù)大多為傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)，固有的雜質(zhì)、孔隙、氧化物等缺陷更是束縛了非晶合金涂層性能的開發(fā). 因此，未來的研究方向應(yīng)該是拓展新型熱噴涂技術(shù)在制備非晶合金涂層上的應(yīng)用，以求在追求低成本、高效率的同時(shí)能夠得到質(zhì)量更優(yōu)，性能更多樣的非晶合金涂層.