一种具有高强度高韧性的耦合涂层及其制备方法与流程

本发明涉及一种零件的表面处理技术领域，尤其涉及一种具有高强度高韧性的微/纳耦合涂层及其制备方法。

背景技术：

据统计，能源的1/3到1/2都是消耗于摩擦和磨损，而我国约有80%的机器零部件是因为磨损而失效，每年因磨擦损耗造成的损失也在1000亿元人民币以上。热喷涂涂层被广泛应用于机械设备关键零部件的表面强化以及尺寸和精度的修复等领域。受热喷涂工艺本身特点的影响，涂层内部裂纹较多、结合力弱、致密性低等缺点严重影响涂层的使用性能，因此，如何进一步提高热喷涂涂层的耐磨损性能仍然是目前最受关注的挑战之一。

扁平粒子的结合率和结合强度是影响热喷涂涂层耐磨性能的最重要指标。对于热喷涂涂层而言，一般扁平粒子的结合率在30％左右，在磨损工况下，扁平粒子间的弱结合导致了涂层抗磨损能力的显著下降，扁平粒子界面由于较低的结合率和其它缺陷（如裂纹和微气孔）的存在，在外应力的作用下，是涂层裂纹产生和扩展的主要部位，而单个扁平粒子的脱落是引起涂层磨损失效的最直接原因。所以，对热喷涂涂层进行强化的一个重要思路是改善扁平粒子界面结合状态。

热喷涂纳米结构涂层具有更好的抗磨损、耐腐蚀以及其他优异性能，所以将纳米材料与热喷涂技术结合而形成的纳米表面涂层与表面改性技术是纳米材料的主要应用领域之一，也是热喷涂重点发展的研究方向之一。已有的研究结果证明利用传统的热喷涂工艺制备纳米颗粒强化的金属基复合纳米涂层是一种简便而有效的提高涂层耐磨损性能的方法，然而这方面的工作目前主要还是专注于在单个喷涂粉末颗粒内部添加纳米强化颗粒，而从扁平粒子界面处着手利用纳米颗粒进行强化的研究较少。

技术实现要素：

本发明的技术目的是提供一种具有高强度高韧性的耦合涂层及其制备方法，利用微米和纳米粉末，采用湿法球磨和喷雾造粒法制备耦合粉体，通过调整热喷涂工艺，在零部件表面制备出扁平粒子界面处均匀分布纳米颗粒的微/纳耦合涂层，实现热喷涂涂层具有高强度和高韧性的目标，具有极大的经济和社会效益。

本发明实现上述技术目的所采用的技术方案为：

一种具有高强度高韧性的耦合涂层，以微米级粉末和纳米粉末为原料，采用湿法球磨和喷雾造粒法，制备出耦合粉体，通过热喷涂方法制备出扁平粒子界面处均匀分布纳米颗粒的微/纳耦合涂层；所述的微米粉末是金属或陶瓷或其复合材料，粒径为10-100μm；纳米粉末是金属或陶瓷，粒径为10-150nm；微/纳耦合粉体中，纳米粉末所占比例为1-10wt%，余量为微米粉末；微/纳耦合涂层的厚度范围为50-350μm。

一种制备所述涂层的方法包括如下步骤：

步骤1，将微米和纳米粉末按照所述比例混合后进行湿法球磨，对球磨后浆料进行喷雾造粒，过筛后制备出耦合粉体；

步骤2，对基体进行清洗、除油除锈和表面粗化；

步骤3，利用步骤1制得的粉体在经步骤2处理的基体表面采用热喷涂方法制备微/纳耦合涂层。

所述的步骤1中，球磨工艺参数如下：以去离子水为溶剂，加入1-3wt%的PVP作为粘结剂，同时加入3-8wt%的耦合粉末配置浆料，按照球料比10-50:1加入磨球，球磨转速为50-250r/min，球磨时间为3-8h；球磨完成后1小时内进行喷雾造粒，喷雾造粒的工艺参数如下：雾化气体为压缩空气，压力为0.2-0.5MPa，浆料输送速率为5-30ml/min，干燥温度为150-350℃，取150-500目筛网之间的粉末为热喷涂原料。

所述的步骤2中，表面粗化方法为喷砂或车螺纹或滚花或电拉毛。

所述热喷涂方法为超音速火焰喷涂或爆炸喷涂或等离子喷涂和火焰喷涂。

所述的步骤3中，采用超音速火焰喷涂方法，其喷涂参数为：助燃气、燃气和辅助气的压力分别为16-20bar、3-6bar和5-8bar，流量分别为300-800slpm、50-70slpm和300-500slpm，送粉气压力为3-9bar，流量为10-20slpm，送粉速率为40-150g/min，喷涂距离为150-300mm。

利用扫描电子显微镜、荧光金相显微镜、摩擦磨损试验机和显微硬度计对所得到的涂层样品具体性能进行测试。

（1）涂层显微硬度测试方法：

将涂层样品的横截面镶嵌后抛光，采用数显硬度计测量涂层横截面的显微硬度，所加载荷为300g，保压时间为10s，硬度计算公式为：

式中：P——所加载荷；

d——压痕对角线长度；

α——正方形四棱角锥体压头两相对面夹角（规定为136°）；

每个试样测试5个点，最后的硬度取其平均值。

（2）涂层摩擦性能测试方法：

将制备的涂层依次使用不同粒度的水砂纸进行表面研磨，并用金刚石研磨膏抛光至表面粗糙度Ra=0.5μm。磨损实验在往复式摩擦磨损机上进行，对偶球是φ3mm的氮化硅（Si₃N₄）球，测试中全振幅为5mm，往复频率5HZ，总滑动距离100m，测试时间33min，载荷5N，无润滑。

本发明采用湿法球磨和喷雾造粒法制备出微/纳耦合粉体，并通过热喷涂方法制备出微/纳耦合涂层，与目前常用涂层相比，具有如下优点：

（1）该方法改善了热喷涂涂层中扁平粒子界面处的结合状态（提高结合率），并优化了界面处的应力状态，显著提高涂层的强度和韧性，延长其使用寿命。

（2）该方法解决了热喷涂过程中纳米粉末存在的输送困难和易烧蚀等难点问题，所用的设备和工艺相对简单，易于操作，生产效率较高，且不受尺寸和施工场所的限制，适用范围广。

本发明中具有高强度高韧性的微/纳耦合涂层制备方法具有工艺简单、综合成本较低、生产效率高和适于产业化的优点，可替代目前的常规热喷涂工艺。同时该技术还是符合国家循环经济和可持续发展战略的绿色制造技术，具有广阔的应用前景与经济效益。

附图说明

图1(a)是本发明实施例1中微米级的原始WC-Co粉末；

图1(b)是本发明实施例1中纳米级的WC粉末；

图1(c)是本发明实施例1中制备的微/纳耦合粉末；

图1(d)是本发明实施例1中微/纳耦合粉末的局部放大图，可见纳米粉末均匀分布于微米粉末表面；

图2(a)是本发明实施例1中制备的微/纳耦合涂层截面形貌；

图2(b)是图2(a)的局部放大图，可见纳米粒子均匀分布于扁平粒子的界面处；

图3是本发明实施例1和实施例2中所制备涂层的硬度和磨损率与常规涂层的比较。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明，但本发明绝非限于实施例。

实施例1：

本实施例中，微米粉末选用市售的WC-Co粉末（粒径约30μm），纳米粉末选用市售的WC粉末（粒径约80nm），微/纳耦合粉体中纳米粉末所占比例为5wt%，涂层厚度约为200μm，该涂层的具体制备方法如下：

1、以去离子水为溶剂，加入2wt%的PVP作为粘结剂，同时加入5wt%的耦合粉末配置浆料，按照球料比20:1加入磨球，球磨转速为150r/min，球磨时间为4h，球磨完成后1小时内进行喷雾造粒，造粒时雾化气体为压缩空气，压力为0.3MPa，浆料输送速率为15ml/min，干燥温度为200℃，取150-500目筛网之间的粉末为热喷涂原料；

2、喷涂前，将基体进行清洗、除油除锈后采用20目合金砂进行表面喷砂预处理，使其粗糙度达到喷涂要求；

3、采用超音速火焰喷涂方法，控制超音速火焰喷涂枪的喷涂参数为：助燃气O₂、燃气丙烷和压缩空气的压力分别为10bar、6bar、7bar，流量分别为240slpm、70slpm、380slpm，送粉气N₂流量为15slpm，粉末输送速率为40g/min，喷涂距离为250mm，喷枪扫描7遍后制得涂层。

对上述制备得到的涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1355.7HV（76.1HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为5.14×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例2：

本实施例中，微/纳耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，耦合粉体中纳米粉末所占比例为3wt%。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1275.4HV（74.7HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为5.52×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例3：

本实施例中，耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，所用粉末分别是微米Al₂O₃（粒径约50μm）和纳米Al₂O₃（粒径约30nm）粉末。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1075.4HV（70.7HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为6.52×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例4：

本实施例中，微/纳耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，所用粉末分别是微米Al₂O₃（粒径约50μm）和纳米Al₂O₃（粒径约30nm）粉末，并且湿法球磨过程中加入3wt%的PVP作为粘结剂，转速为100r/min，球磨时间为2h，造粒时用于雾化的压缩空气压力为0.2MPa，干燥温度为300℃。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1025.4HV（69.5HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为6.91×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例5：

本实施例中，微/纳耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，所用粉末分别是微米Cr₂O₃（粒径约40μm）和纳米Cr₂O₃（粒径约20nm）粉末。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1175.4HV（72.8HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为5.82×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例6：

本实施例中，微/纳耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，所用粉末分别是微米Cr₂O₃（粒径约40μm）和纳米Cr₂O₃（粒径约20nm）粉末，并且湿法球磨的球料比30:1，转速为120r/min，球磨时间为3h，造粒时用于雾化的压缩空气压力为0.4MPa，干燥温度为350℃，取200目~400目筛网之间的粉末作为热喷涂原料。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为1135.4HV（72.1HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为6.01×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

实施例7：

本实施例中，微/纳耦合涂层的具体制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，所用粉末分别是微米Cr₂O₃（粒径约80μm）和纳米Cr₂O₃（粒径约60nm）粉末，并且采用等离子喷涂方法，控制喷涂参数为：主气Ar和辅气H₂的压力分别为4bar、和2bar，流量分别为40slpm和3slpm；送粉气压力为0.5bar，流量为3slpm，送粉速率为40g/min；喷涂过程中电流为600A，电压为60V，喷涂距离为110mm。

对上述制备得到的微/纳耦合涂层进行如下性能测试：

1. 涂层显微硬度：利用涂层显微硬度测试方法测得涂层的平均硬度为875.3HV（65.3HRC）。

2. 涂层磨损率：利用涂层摩擦磨损测试方法，测得涂层磨损率为7.12×10^-7mm³/N·m，结果表明涂层的耐磨性能优于常规涂层。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。