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铁基非晶涂层具有高的强/硬度、优异的耐腐蚀磨损性能以及较低的原材料成本,是一种非常有应用前景的材料,目前,非晶涂层的研究已经成为非晶领域的研究热点。然而,铁基非晶涂层仍存在韧性不足的问题,而添加第二相制备铁基非晶复合涂层是提高非晶涂层韧性的有效方法之一。此外,在非晶涂层的研究基础上,我们还通过超音速火焰喷涂技术“3D打印”出三维大尺寸的Fe基非晶合金及其复合材料。因此本博士论文主要围绕超音速热喷涂技术制备Fe基非晶复合涂层及3D打印大尺寸非晶合金这两个主题来展开。本文基于性能优异的Fe48Cr15Mo14C15B6Y2非晶合金体系,利用X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、三维X射线显微镜(XRT)、示差扫描量热仪(DSC)、显微维氏硬度计(Vickers Indenter)、摩擦磨损试验机(Friction/Wear Machine)、电化学工作站(Electrochemical Workstation)、万能力学试验机、落锤冲击试验机以及疲劳试验机等实验手段系统地研究了超音速火焰喷涂制备的二维铁基非晶复合涂层和三维大尺寸铁基非晶合金及其复合材料的结构、力学行为及腐蚀性能。通过单边缺口三点弯曲实验测量热喷涂3D打印的铁基非晶合金及其复合材料的断裂韧性。主要研究结果如下:(1)通过化学镀技术在Fe48Cr15Mo14C15B6Y2非晶粉末表面包覆一层Ni-(W)-P镀层制成复合粉末,再通过超音速火焰喷涂获得复合涂层。研究表明,该镀层能够有效减少热喷涂过程中粉末表面的氧化,减少涂层内部颗粒与颗粒之间界面处(intersplats)脆性氧化物的生成,增强涂层内部的结合力从而提高涂层的断裂韧性和结合强度。此外,该复合涂层相比纯铁基非晶涂层具有更低的摩擦系数(0.28)和磨损量(5.2 x 10-6 mm3 N-1m-1),这是由于抗氧化性的镍基镀层能够有效阻止氧原子向涂层内部扩散,减少摩擦过程中脆性氧化物的堆积,避免了裂纹的产生以及大量的涂层剥落。(2)通过添加尼龙11在热喷涂过程中发生原位碳化,制备出无定形碳增强型铁基非晶复合涂层。该复合涂层在保持腐蚀性能不降低的情况下,相比纯铁基非晶涂层具有更高的弯曲强度、冲击韧性和疲劳性能,通过有限元分析以及理论计算发现韧性的提高有两点:一是无定形碳可以有效缓解冲击过程中应力集中,减少裂纹的萌生形成;二是无定形碳的加入导致涂层结构不均匀性,由于应力遮蔽效应,无定形碳能够明显降低裂纹扩展驱动力从而有效阻碍裂纹扩展。因此,基于这两个效应无定形碳的复合能够有效提高涂层的冲击韧性和疲劳性能。(3)采用超音速火焰喷涂成功制备出三维大尺寸的Fe48Mo14Cr15Y2C15B6非晶合金(非晶含量可达95%)。该合金具有致密的结构(孔隙率仅为0.37%),维氏硬度可达1025 Hv,并且具有很高的压缩强度(垂直于基板方向的强度为2.14 GPa,平行于基板方向的强度为1.36 GPa)。虽然其断裂行为与传统铸造法制备的Fe基非晶合金相似,均为脆性的分裂式断裂,但是超音速火焰喷涂制备的Fe基非晶合金却具有很高的断裂韧性(可达到12.5 MPa m1/2),是传统铸造法制备的同成分非晶合金的2.5倍。(4)为了进一步提高超音速火焰喷涂制备的铁基非晶合金的韧塑性,我们在Fe基非晶粉末中混入不同质量分数的316L SS粉末,并成功制备大尺寸的Fe基非晶复合材料(大于20 mm)。结果表明,延性的316L SS能够填充非晶颗粒之间的间隙,减小合金的孔隙率。同时,Fe基非晶复合材料依旧保持着非常高压缩强度(屈服强度大于1.8 GPa),并且随着316L SS含量增加,塑性应变逐渐增大(最高塑性应变可达2%)。此外,还发现316L SS复合非晶合金具有更高的断裂韧性(最高可达20.5MPa m1/2),是铸造法制备的Fe基非晶合金的4倍。这是由于316L SS的存在,导致裂纹尖端会出现应力遮蔽效应,导致更多的裂纹发生偏折,降低了裂纹扩展速率,并且316 L SS可以很好的缓解三点弯曲过程中缺口处的应力集中,抑制裂纹的形成。