[发明专利]采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于梯度功能材料领域，涉及采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度功能涂层。

背景技术

在工业生产中，钢铁零部件的失效多数从表面开始。人们通常采用表面技术来提高金属材料的表面性能，如：表面耐磨、耐腐、耐热等。熔覆陶瓷技术可以成功地将金属材料的韧性和良好的工艺性与陶瓷材料优异的耐磨性、耐腐蚀性及耐热性有机地结合起来，从而显著地改善钢铁表面的耐磨、耐腐、耐热性能，被广泛应用在模具及特殊工况的结构件上，如：飞机涡轮发动机叶片、电厂燃汽气轮机叶片、鼓风机叶片、汽车发动机轴颈、齿轮、阀座、气门、挺杆等。熔覆陶瓷涂层已成为国内外研究的热点之一，由于熔覆陶瓷层与基体金属的热膨胀系数及弹性模量不匹配，且陶瓷与金属间润湿性较差等原因，导致陶瓷层发生开裂或剥落损坏，常用的解决方法是消除界面和缓和陶瓷与金属之间的热应力。

梯度功能材料的概念最早是由日本学者新野正之和平并敏雄等在1984年提出，但真正的研究则始于1987年日本“用于热应力缓和的梯度功能材料开发基础技术的研究”项目提出，随即在世界范围内引发了梯度功能材料的研究热潮。目前，被用来制备梯度功能材料的工艺方法主要有：化学气相沉积CVD法、物理气相沉积PVD法、物理化学气相沉积PCVD法、自蔓延高温合成SHS法、等离子喷涂PS法、粉末冶金PM法、电沉积ED法、流延TS法、电化学ECM法、激光熔覆LSC法、离心铸造CS法、放电等离子烧结SPS法等。每一种方法都有各自的优缺点，及适用的范围。如：CVD、PVD及PCVD制备的涂层较薄，但不利于阻碍裂纹的扩展；PS法制备的涂层为机械咬合，涂层容易脱落；LSC法的设备昂贵，不利于被广泛使用；其他方法制备梯度功能涂层时需要复杂的工艺和设备。目前，缺少设备投资小、不受使用场地限制、可在复杂工件（基体）局部区域制备梯度功能涂层的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层。该方法易于实现自动化，并以等离子弧作为高温热源，可将涂层粉末与基体表面加热熔化，形成结合强度高的冶金界面。设计上通过把连续性梯度功能材料，做近似有限分割处理，控制每一层的组分梯度，通过层层叠加，获得多层渐变成分的梯度功能涂层。该方法实现了一种可用于在复杂形状工件上局部制备梯度功能涂层、且设备投资小、移动灵活、并不受场地限制的梯度功能涂层制备方法。

本发明的技术方案如下：

采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层的方法，工艺步骤为：

（1）、对基体表面预处理：

对需制备梯度涂层的基体表面进行喷砂处理或手持砂轮进行打磨处理，然后用丙酮清洗表面，并烘干。

（2）、材料组成设计：

设计梯度涂层的层数为N层（1≤N≤10），按质量百分比，每层中两种组分的比例设计为：从第一层至第N层，WC-Ni粉末按线性递增为10%、20%、30%、···(N*10)%；同时，Fe基体粉末按线性递减为90%、80%、70%、···(10-N)*10%。

（3）、粉末供给：

采用双筒送粉系统供粉，并通过三通混合，最后进入可同轴送粉的熔覆喷枪。即把WC-Ni粉末与Fe粉末分别装入双筒供粉系统，按步骤２设计的混合比例调整每层WC-Ni与Fe粉末的送粉量，双筒里的WC-Ni与Fe粉末在氩气流作用下分别进入一个Y形三通管，并从Y形管另一端流出，再进入连接Y形三通管与熔覆枪的管路，最后送入熔覆枪。

（4）、熔覆层尺寸控制：

利用等离子弧对混合后的粉末加热熔化，熔覆枪由三轴数控装置+摆动装置控制，可实现线性行走的同时横向摆动熔覆枪，待制备涂层的基体固定于可旋转或行走的装置，通过控制熔覆枪与基体各自的运动速度和轨迹来控制梯度涂层的高度、厚度及宽度尺寸。

（5）、粉末熔化与凝固：

设置好电流、电压、熔覆枪移动速度和轨迹后，开启保护气→供粉→起弧→摆动→行走，对第一层梯度涂层（WC-Ni为10%、Fe 为90%）进行制备。第一层冷却凝固后，用钢丝刷清理表面层；并依第二层涂层组分设计比例（WC-Ni为20%、Fe为80%），调节供粉量、喷枪移动、摆动速度、摆动幅度、电流、电压，进行第二层的制备。重复上述步骤依次完成其余层的制备。

本发明的有益效果是：

(1)该方法对所制备的Fe基WC-Ni梯度涂层的材料选材范围广，其他金属、陶瓷材料均可用来制备所需的金属基陶瓷增强梯度涂层。

(2)制备所用的设备简单、移动灵活、不受室里室外限制。