专利名称：采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层的方法
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狗基恥-·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狗基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狗基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粉末与狗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与狗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，开启保护气一供粉一起弧一摆动一行走，对第一层梯度涂层(WC-Ni为10% Je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%、狗为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)该方法对所制备的狗基WC-M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。(3)对基体材料的形状尺寸适应性强，可在圆形、平面曲线形、大于一定尺寸的套筒等工件上制备狗基WC-Ni梯度涂层，且制备的狗基WC-Ni梯度涂层的宽度、厚度可调， 只要根据设计，调整熔覆枪行走的速度、轨迹、供粉量及总共制备的层数即可。
图1为等离子熔覆法制备狗基恥-附梯度涂层的装置示意图。图2为狗基WC-Ni梯度涂层中各层的HRC硬度值。
具体实施例方式下面在Q235基体上制备五层WC-Ni增强狗基梯度涂层的方法，对本发明做详细说明。其中WC-Ni的具体成分(Wt%)为65%Ni60A+35WC%，Fe基粉末的具体成分(Wt%) 为C 为(0. 1%-0. 3%)、B 为(1. 2%-1. 8%)、Si 为(2. 5%-3. 5%)、Cr 为(4. 0%-8. 0%)、Ni 为 (20%-35%)、狗余量，粉末粒度为150-300目；
(1)、把WC-Ni和Fe粉末分别添加至双筒送粉器的A、B容器中(图1所示)，通过调整送粉器刮盘的转速控制送粉量。本实例中，第一层至第五层WC-Ni的比例分别为10%、20%、
430%、40%、50%，相应的!^e比例为90%、80%、70%、60%、50%。第一层制备完成后，调整送粉量，再制备第二层。送粉器通过管路10与氩气相连，粉末WC-Ni与狗在Ar气的作用下(流量为 3L/min),分别由管路8、9进入三通混粉器，再由管路7进入熔覆枪4中，并在等离子弧3的作用下熔化粉末，之后涂层冷却凝固，完成涂层2的制备。(2)、等离子熔覆设备的参数为电流75A、电压32V、保护气流量为9L/min、离子气流量为3L/min，电源负极14与喷枪相接，正极13接基体Q235。(3)、喷枪4的直线行走5及横向摆动6是通过控制线12与控制设备相连，有四种摆动方式脉冲式摆动、锯齿波式摆动、阶跃式摆动、交替脉冲式摆动。四种方式下，涂层的形状尺寸不同，本实例采用的是脉冲式摆动，摆动幅度12mm，摆动速度lOOOmm/min，直线行走线速度50mm/min。(4)、梯度涂层的层数根据需要决定，本实例为五层，每层的HRC硬度值如图2所示，从第一层Ll至第五层L5呈梯度递增。包覆WC的Ni与基体狗之间互溶，形成合金。上述介绍了梯度层数为五层的狗基WC-Ni梯度涂层的制备方法，理论上，可以实现无数层这种复合涂层，只要设计好每层的陶瓷增强相与金属基体的百分比梯度，通过层层叠加，即可利用等离子熔覆法实现制备狗基WC-Ni梯度涂层，可实现节约贵重材料，降低生产成本，提高性能的目的。
权利要求
1.采用等离子熔覆法制备狗基WC-M梯度涂层的方法，其特征在于它的制备工艺步骤为(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(I^N^IO),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，F e 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粉末与狗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与狗粉末的送粉量，双筒里的WC-Ni与狗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，开启保护气一供粉一起弧一摆动一行走，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%、狗为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。
2.根据权利要求1所述的采用等离子熔覆法制备狗基WC-Ni梯度涂层的方法，其特征在于所使用熔覆设备包括双筒送粉器、等离子弧电源、三通管接头、同轴送粉熔覆枪、可控制弧枪摆动与行走得装置以及控制基体旋转与行走的装置。
3.根据权利要求1所述的采用等离子熔覆法制备狗基1(-附梯度涂层的方法，其特征在于所述步骤(2)中利用三通管接头对双粉末进行混合，并利用粉末流动过程中在连接管道内的相互作用，达到均勻混合的目的。
4.根据权利要求1所述的采用等离子熔覆法制备狗基WC-Ni梯度涂层的方法，其特征在于所述步骤(2)中梯度涂层中粉末的混合比例是由基体粉末占多数逐渐过渡为增强相占多数，来缓和金属和陶瓷之间因热物理性能差别较大而形成较大的热应力，减少涂层开裂倾向。
5.根据权利要求1所述的采用等离子熔覆法制备狗基WC-Ni梯度涂层的方法，其特征在于所述步骤(3)中粉末的熔化热源是采用等离子弧，且单层涂层的尺寸是通过弧枪的摆动与行走速度控制，熔覆枪采用同轴送粉。
全文摘要
本发明提出了采用等离子熔覆法制备Fe基WC-Ni梯度涂层的方法。步骤为(1)设计梯度涂层的层数及陶瓷A在各层的比例；(2)A与金属粉末B由双筒供粉；(3)粉末A、B经三通装置混合后进入由数控装置控制的同轴送粉熔覆枪中；(4)控制行走、摆动速度及幅度来控制涂层的横向尺寸，控制送粉量及等离子弧功率获得需要的涂层厚度；(5)涂层凝固后，清理表面；(6)重复步骤(2)至(5)完成剩余涂层的制备。本发明所用设备简单、投资小；梯度涂层长度、宽度、厚度可调，涂层内成分均匀；可在工件局部位置制备出梯度涂层；涂层与基体及涂层间可达到冶金结合，界面结合强度高。
文档编号C23C24/10GK102392241SQ201110352789
公开日2012年3月28日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者曾大新, 袁有录 申请人:湖北汽车工业学院