专利名称：一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法
技术领域：
本发明涉及一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，属于材料表面工程技术领域。
背景技术：
核主泵中关键零部件，如水润滑轴承、机械密封部件以及轴与其它部件的装配配合副等，工作在高温、高压、高速、核辐射等极其苛刻的环境下，要求零部件表面满足耐磨损、抗腐蚀、耐热冲击性及抗辐射等性能要求，保证关键零部件使役寿命及系统的稳定性，以达到长期安全稳定运转。热喷涂技术是通过热源将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态，并加速(或雾化后加速)形成高速熔滴，撞击基体经扁平化、快速冷却凝固沉积在基体表面形成覆层的一种材料成形方法，可使工件满足耐高温、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损及抗冲击等 性能要求，从而几倍甚至几十倍地提高工件的使用寿命，已广泛的应用于军事、航空、航天、机械、电力以及生物工程等领域。热喷涂技术可以喷涂各种金属及合金、陶瓷、塑料及非金属等大多数固态工程材料，能制备具有各种性能的功能涂层，并且施工灵活，适应性强，不受成形件尺寸及形状的限制；WC-Ni硬质合金涂层是一种耐磨抗蚀性能优良的硬质涂层，同时具有良好的抗氧化性、耐热冲击性以及在中子辐射下不产生放射性。采用热喷涂技术在核主泵关键零部件表面制备WC-Ni硬质合金涂层，可满足核主泵中关键零部件耐磨抗蚀配合副的制造需求，完全适于核主泵高压、高温、腐蚀介质及放射性环境下的关键零部件的表面强化与防护。但热喷涂WC-Ni硬质合金涂层存在涂层孔隙率较高、致密度低和结合强度差等问题，解决热喷涂涂层的致密性和结合强度问题成为该技术发展的关键。热等静压技术是一种有效的材料致密化方法，其实质是一种使用高温高压压制材料的方法，把通常装在包套内的工件置于高压釜中，在热和压力的双重作用下，使材料内部的孔洞等缺陷减少或消失，从而有效的提高材料的致密性及抗磨损性能。热等静压处理作为硬质合金生产过程的最后处理工序，已成为生产优质硬质合金的主要手段。热等静压处理可以降低烧结态硬质合金的孔隙，获得几乎完全致密的合金，同时减少了形成合金断裂源的缺陷尺寸，显著提高了合金的强度性能，大幅度延长了合金的使用寿命。热等静压处理可以闭合精铸件中的铸造疏松，消除与改善合金元素偏析，使材料力学性能分散度大大减小，充分发挥材料性能的潜力，国外已普遍作为航空发动机零件制作的必要工序。2000年，钢铁研究总院侯豁然等把热等静压与热喷涂结合起来，通过热等静压的作用，减少涂层的孔隙，显著提高其致密度，同时涂层与基体发生元素扩散，形成扩散连接，提高涂层的结合强度，热等静压处理大幅改善了涂层的力学性能，耐磨性提高了近7倍，但热等静压处理通常需要制备包套(或模型)，要求包套在热等静压工艺温度必须是柔软的且是气密的，而且包套的形状一般比较复杂，难以机加工制造，热等静压包套的设计与制造一直是限制热等静压技术发展的一大难题。2012年，中南大学熊翔等采用二步热等静压法来处理等离子体喷涂钨异型件，首先利用低压热等静压大幅度降低喷涂层表面开孔率，起到了与包套处理类似的作用，然后利用高压热等静压使涂层微观缝隙及空隙愈合。二步热等静压处理后，钨构件致密度由热喷涂85. 6%提高至95. 6%，显微硬度和拉伸强度分别由HVq.25N341. 7、55. 04MPa增加至HVck25n 547. 8、245. 25MPa，优于单一的低压热等静压或高压热等静压处理。尽管该方法可省去常规包套的工序，避免包套材料扩散而影响工件的成形质量，但这种方法并未实际形成热等静压包套结构，其减少涂层孔隙，提高其致密度的作用仍然有限。强流脉冲离子束(High-intensity Pulsed Ion Beam-HIPIB)亦称之为强脉冲离子束(Intense Pulsed Ion Beam-IPIB)或高功率离子束(High Power IonBeam-HPIB),通常指离子能量E = IO5-IO7eV,脉冲宽度T ^lus,离子束流密度Ji)) lA/cm2,功率密度P=107-1014W/cm2，能量密度q > lj/cm2的离子束。强流脉冲离子束技术是一种新的材料表面改性技术，源于20世纪70年代末期的惯性约束核聚变研究，具有超高温、超高压和强磁场等工艺特性。1997 年，Rej, Remnev 和 Yatsui 等在 Journal of Vacuum Science andTechnology联合发表了关于强流脉冲离子束技术在材料加工领域应用的论文《Materialsprocessing withintense pulsed ion beams》。迄今为止,强流脉冲离子束技术已成功应用于辐照金属/非金属材料表面改性、薄膜沉积、材料表面清洗和纳米粉末制备等领域。2006 年，雷明凯等的中国发明专利《用强流脉冲离子束对电子束物理气相沉积涂层的封顶技术》(CN1948549A)，在室温条件下，采用脉冲宽度为60 70ns、束流密度为250 350A/cm2的强流脉冲离子束辐照零部件基体上的陶瓷层，利用瞬间高能量密度沉积，造成陶瓷层表面温度的急剧升高，使陶瓷层中柱状晶粒的顶部发生熔化、蒸发和烧蚀，熔融的陶瓷材料被填充到晶粒间隙中，形成微米量级的连续封顶层，以封闭陶瓷层中柱状晶粒之间的间隙；再用脉冲宽度为60 70ns、束流密度为50 lOOA/cm2的强流脉冲离子束辐照焊合封顶层表面的微裂纹，形成连续致密的封顶层，从而提高电子束蒸发物理气相沉积涂层的抗高温氧化性能。该方法可控性强、工艺简单，采用较少的辐照次数即可实现所要求厚度的连续致密封顶层，且封顶层表面光滑平整；封顶后电子束蒸发气相沉积涂层的抗氧化性能提高2倍以上。基于强流脉冲离子束辐照表面的封顶作用，本发明提供一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，利用热喷涂方法在核主泵零部件表面上沉积WC-Ni硬质合金涂层，再利用具有短脉冲和高能量密度特征的强流脉冲离子束的封顶作用，在热喷涂WC-Ni硬质合金涂层表面形成重熔的连续致密包套层，随后利用重熔的包套层进行高压热等静压处理获得整体致密化、高结合强度的WC-Ni硬质合金涂层，显著提高零部件的使用性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，采用该方法制备的硬质合金涂层应能够增强核主泵关键零部件的耐磨损、抗腐蚀、耐热冲击以及抗辐射等性能，从而显著提高核主泵的使用寿命。本发明提出的技术方案为一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法按照下述步骤进行a)对核主泵零部件待处理表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质；b)利用常规热喷涂方法，在步骤a)处理后的核主泵零部件表面上沉积WC-Ni硬质合金涂层；WC-Ni硬质合金涂层中粘结相Ni的质量分数为6% 20%，涂层致密度为80 89%,涂层厚度为100 ~ 300 u m ；c)将步骤b)制备的工件安置在强流脉冲离子束装置的处理室中，使待处理WC-Ni硬质合金涂层表面完全暴露在强流脉冲离子束束线辐照区内，关闭该装置的真空室并抽真空，使其真空度达到0. 8 I. 3 X 10_2Pa ;d)在室温条件下，利用脉冲宽度50 100ns、束流密度为200 350A/cm2的强流脉冲离子束对核主泵零部件表面上的WC-Ni硬质合金涂层进行2 10次辐照，在WC-Ni硬质合金涂层表面原位生成I 10 U m厚重熔的连续致密包套层；所述强流脉冲离子束为碳、氢混合离子束，离子加速电压为300 350kV、一个脉冲辐照的能量密度为I lOJ/cm2 ；e)利用辐照形成的重熔的包套层对WC-Ni硬质合金涂层采用温度为1000 1400°C、压力为100 150MPa和烧结时间为30 90min的高压热等静压处理，获得整体致密化、高结合强度的WC-Ni硬质合金涂层；所述重熔的包套层的厚度选用下限值I U m时，则强流脉冲离子束束流密度采用下限值200A/cm2，辐照次数采用下限值2次；当重熔的包套层的厚度选用上限值10 y m时， 则强流脉冲离子束束流密度采用上限值350A/cm2，辐照次数采用上限值10次。本发明克服了传统热等静压过程需要专门制作包套以及二步热等静压过程复杂、耗能、生产成本高等问题，利用具有短脉冲和高能量密度特征的强流脉冲离子束的封顶作用在热喷涂WC-Ni硬质合金涂层表面上原位生成微米量级重熔的连续致密包套层，随后利用重熔的包套层进行高压热等静压处理获得整体致密化、高结合强度的WC-Ni硬质合金涂层。该方法工艺效率高，节省能耗，生产成本低；所制备的WC-Ni硬质合金涂致密度高、与基体的结合性能好，能够显著提高核主泵关键零部件的耐磨损、抗腐蚀、耐热冲击以及抗辐射等性能，保证核主泵长期可靠、稳定的运转。
具体实施例方式下面结合实施例说明本发明的具体实施方式
。实施例I利用本发明方法在AISI 304L奥氏体不锈钢基体上制备100 y m的WC-IONi硬质合金涂层，制备步骤如下a)在强流脉冲离子束辐照前，首先对AISI304不锈钢基体待处理表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质；b)利用等离子体喷涂在步骤a)处理后的AISI304不锈钢基体上沉积致密度为80%、厚度为100 ii m的WC-IONi硬质合金涂层；c)将步骤b)制备的样品安置在强流脉冲离子束装置的处理室中，使清洁处理后的待处理表面完全暴露在强流脉冲离子束束线辐照区内，关闭该装置的真空室并抽真空，使其真空度达到I. lX10_2Pa;d)在室温条件下，采用离子束束流成分为30%的碳离子和70%的氢离子，离子能量为300kV，脉冲宽度为60ns，束流密度为200A/cm2的强流脉冲离子束对AISI304不锈钢表面上的WC-IONi硬质合金涂层进行2次辐照，在WC-IONi硬质合金涂层表面原位生成I U m重熔的连续致密包套层；e)利用高压热等静压对辐照后的WC-IONi硬质合金涂层进行致密化处理，温度1360°C、压力lOOMPa、烧结时间30min，获得致密度为93%、结合强度为90±5MPa的WC-IONi
硬质涂层。
实施例2利用本发明方法在PH17-4马氏体不锈钢基体上制备150 iim的WC-IONi硬质合金涂层，制备步骤如下a)在强流脉冲离子束辐照前，首先对PH17-4马氏体不锈钢基体待处理表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质；b)利用等离子体喷涂在步骤a)处理后的PH17-4马氏体不锈钢基体上沉积致密度为88%、厚度为150 ii m的WC-IONi硬质合金涂层；c)将步骤b)制备的样品安置在强流脉冲离子束装置的处理室中，使清洁处理后的待处理表面完全暴露在强流脉冲离子束束线辐照区内，关闭该装置的真空室并抽真空，使其真空度达到I. 3 X 10_2Pa;
d)在室温条件下，采用离子束束流成分为30%的碳离子和70%的氢离子，离子能量为300kV，脉冲宽度为60ns，束流密度为300A/cm2的强流脉冲离子束对AISI304不锈钢表面上的WC-IONi硬质合金涂层进行10次辐照，在WC-IONi硬质合金涂层表面原位生成8 ii m重熔的连续致密包套层；e)利用高压热等静压对辐照后的WC-IONi硬质合金涂层进行致密化处理，温度1340°C、压力lOOMPa、烧结时间60min，获得致密度为97%、结合强度为105±5MPa的WC-IONi硬质涂层。实施例3利用本发明方法在2Crl3马氏体不锈钢基体上制备200 y m的WC_8Ni硬质合金涂层，制备步骤如下a)在强流脉冲离子束辐照前，首先对2Crl3不锈钢基体待处理表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质；b)利用等离子体喷涂在步骤a)处理后的2Crl3不锈钢基体上沉积致密度为85%、厚度为100 ii m的WC-8Ni硬质合金涂层；c)将步骤b)制备的样品安置在强流脉冲离子束装置的处理室中，使清洁处理后的待处理表面完全暴露在强流脉冲离子束束线辐照区内，关闭该装置的真空室并抽真空，使其真空度达到1.0X10_2Pa;d)在室温条件下，采用离子束束流成分为30%的碳离子和70%的氢离子，离子能量为350kV，脉冲宽度为60ns，束流密度为200A/cm2的强流脉冲离子束对2Crl3不锈钢表面上的WC-8Ni硬质合金涂层进行10次辐照，在WC-8Ni硬质合金涂层表面原位生成5 ii m重熔的连续致密包套层；e)利用高压热等静压对辐照后的WC-SNi硬质合金涂层进行致密化处理，温度1400°C、压力120MPa、烧结时间30min，获得致密度为95%、结合强度为95±5MPa的WC_8Ni硬质涂层。
权利要求
1.一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，其特征在于，所述制备方法按照下述步骤进行 a)对核主泵零部件待处理表面作常规的清洁处理，去除表面的油污和杂质； b)利用常规热喷涂方法，在步骤a)处理后的核主泵零部件表面上沉积WC-Ni硬质合金涂层；WC-Ni硬质合金涂层中粘结相Ni的质量分数为6% 20%，涂层致密度为80 89%，涂层厚度为100 300μπι; c)将步骤b)制备的工件安置在强流脉冲离子束装置的处理室中，使待处理WC-Ni硬质合金涂层表面完全暴露在强流脉冲离子束束线辐照区内，关闭该装置的真空室并抽真空，使其真空度达到O. 8 I. 3X 10_2Pa ； d)在室温条件下，利用脉冲宽度50 100ns、束流密度为200 350A/cm2的强流脉冲离子束对核主泵零部件表面上的WC-Ni硬质合金涂层进行2 10次辐照，在WC-Ni硬质合金涂层表面原位生成I 10 μ m厚重熔的连续致密包套层；所述强流脉冲离子束为碳、氢混 合离子束，离子加速电压为300 350kV、一个脉冲辐照的能量密度为I lOJ/cm2 ； e)利用辐照形成的重熔的包套层对WC-Ni硬质合金涂层采用温度为1000 1400°C、压力为100 150MPa和烧结时间为30 90min的高压热等静压处理，获得整体致密化、高结合强度的WC-Ni硬质合金涂层。
2.根据权利要求I所述的一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，其特征在于所述重熔的包套层的厚度选用下限值Iym时，则强流脉冲离子束束流密度采用下限值200A/cm2，辐照次数采用下限值2次；当重熔的包套层的厚度选用上限值10 μ m时，则强流脉冲离子束束流密度采用上限值350A/cm2，辐照次数采用上限值10次。
全文摘要
一种核主泵零部件用WC-Ni硬质合金涂层制备方法，属于材料表面工程技术领域。该制备方法首先对核主泵零部件待处理表面作常规的清洁处理；利用热喷涂方法在核主泵零部件表面上沉积WC-Ni硬质合金涂层；利用脉冲宽度为50～100ns、束流密度为200～350A/cm2的强流脉冲离子束对核主泵零部件表面上的WC-Ni硬质合金涂层进行2～10次辐照，在WC-Ni硬质合金涂层表面原位生成1～10μm厚重熔的连续致密包套层；利用重熔的包套层进行高压热等静压处理，形成整体致密化、高结合强度的WC-Ni硬质合金涂层。优点涂层致密度高、与基体的结合性能好；可显著提高核主泵关键零部件的耐磨损、抗腐蚀、耐热冲击以及抗辐射等性能，保证核主泵长期可靠、稳定的运转。
文档编号C23C24/10GK102965612SQ20121043955
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月7日 优先权日2012年11月7日
发明者雷明凯, 朱小鹏, 张锋刚, 李昱鹏, 郭浩 申请人:大连理工大学