基于电火花放电的涂层制备装置的制作方法

本实用新型涉及涂层制备装置的结构设计技术领域，更具体地说，涉及一种基于电火花放电的涂层制备装置。

背景技术：

在现代工业生产中，金属材料广泛应用于模具生产，由于在高温环境中，模具钢材料表面容易受到腐蚀并且耐磨性大大改变，因此要在模具钢材料表面制备保护涂层，且要求这种涂层具有耐高温、抗氧化和抗冲击磨损的特性。国内外学者针对热作模具钢表面进行处理的研究方法主要为：表面载能束热处理和物理气相沉积、化学气相沉积、激光强化等表面强化新技术。其中，表面载能束热处理包括热喷涂技术，该技术性能优异，涂层结合强度较高，且致密，耐磨损性能优越，应用前景良好，但是成本较高，灵活性较差；激光强化表面技术的优势在于能够获得与金属形成良好冶金结合的涂层，致密度较高，但是主要的技术缺陷在于涂层具有较高的裂纹敏感性。

电火花沉积技术是近十几年迅速发展的新兴技术，该技术包括：在电极之间形成脉冲电流、瞬间放出火花、产生高温、将电极融化到基体表面和基体材料结合成表面涂层，所得涂层具有良好的红硬性和耐磨性，成本较低，灵活性较强。目前，大部分学者采用的以基体材料为电极的做法的弊端是会同时融化金属层，使涂层纯度不高，从而相应的性能会有所下降。因此，开发一种涂层纯度较高、涂层结合强度和力学性能较好的基于电火花放电的涂层制备装置是本领域技术人员要解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：基于现有的表面涂层技术中存在的涂层纯度不高、力学性能较差的问题，提供一种涂层纯度较高、涂层结合强度和力学性能较好、加工效率较高、加工成本较低、适用于复杂型面加工(如热作模具表面)的基于电火花放电的涂层制备方法及装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于上述电火花放电的涂层制备方法的装置，该装置包括：高速气流发生装置、设置在高速气流发生装置气流出口处的基体材料、对称设置在高速气流发生装置气流出口与基体材料之间的正极靶材和负极靶材，正极靶材、负极靶材分别与脉冲电源和伺服控制系统连接。

进一步限定，所述高速气流发生装置包括：储气罐、与储气罐依次连接的增压装置和高压气体喷头。

进一步限定，所述靶材为柱体形状，正极靶材和负极靶材分别以阵列形式对称设置在高速气流发生装置气流出口下侧的外周围，正极靶材与负极靶材间隙为0.1-10mm。

进一步限定，所述靶材为块体形状，正极靶材和负极靶材对称设置在高速气流发生装置气流出口与基体材料之间，正极靶材与负极靶材间隙为0.1-10mm。

一种基于电火花放电的涂层制备方法，该制备方法包括如下过程：

将作为电极的正极靶材、负极靶材分别与脉冲电源正极负极相连，并通过伺服控制系统匀速移动，同时保持正极靶材、负极靶材电火花放电所需要的距离，在放电过程中用高速气流对正极靶材、负极靶材放电区域进行冲涮，使由正极靶材、负极靶材放电而产生的熔化和气化的产物在高速气流的作用下高速冲击在基体材料表面，然后凝固形成具有厚度的涂层。

进一步限定，所述靶材为电阻率小于1Ω·cm的导电材料。

进一步限定，所述的高速气体为氮气、氦气、氖气、氩气、氪气或氙气中的一种；所述的高速气体的速度为100-2000m/s；所述的脉冲电源放电电流为1-100A，脉宽为0.1-10000μs，占空比为1:10-10:1。

本实用新型的技术方案是通过电火花方法产生的高温能量使靶材局部熔化和气化，并利用高速流动的惰性气体使熔化和气化的材料高速冲击在基体材料表面，最终冷却凝固，形成厚度为10-500μm的涂层，制备成本较低、效率较高，具体有益效果如下：

(1)本实用新型的制备装置的整体结构设计较为合理，可使得制备所得涂层材料均来自于靶材，实现了靶材放电区与基体材料的零接触，可有效保证制备涂层纯度，提高涂层性能；

(2)本实用新型的制备装置的整体结构设计使得使用者可采用高速惰性气体对电极放电区域进行冲涮，可大幅度提高电火花放电过程中的材料去除效率，从而进一步提高涂层的制备效率；同时，熔化和气化的材料在高速流动的惰性的作用下，高速撞击在基体表面可提高涂层与基体材料的结合性能；且惰性气体能有效保护涂层区域不出现氧化；

(3)本实用新型的制备装置中的靶材可以为任何导电材料，从而可以满足广泛使用需求，当采用阵列电极时，制备效率可大幅度提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是本实用新型的基于电火花放电的涂层制备的原理图；

图2本实用新型的基于阵列电极制备涂层的原理图；

图3为图2中A区域的三维结构图；

图4为图2中A区域阴影部分放大结构示意图；

图中，1.正极靶材，2.负极靶材，3.脉冲电源，4.伺服控制系统，5.基体材料，61.储气罐，62.增压装置，63.高压气体喷头，7.WC涂层，8.套管式夹具,9.TiN涂层。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种基于电火花放电的涂层制备方法，该制备方法包括如下过程：

靶材材料为圆柱块状的WC棒，首先将作为电极的正极靶材1、负极靶材2分别与脉冲电源3正极负极相连，并通过伺服控制系统4控制使正极靶材1、负极靶材2分别匀速移动，同时保持正极靶材1、负极靶材2电火花放电所需要的距离为0.2mm，开路电压为200V，在放电过程中用高速氩气气流对正极靶材1、负极靶材2放电区域进行冲涮，使由正极靶材1、负极靶材2放电而产生的熔化和气化的WC产物在高速气流的作用下高速冲击在表面平整的H13热作模具钢的基体材料5表面，然后凝固形成155μm厚度的WC涂层7。

一种基于上述电火花放电的涂层制备方法的装置，该装置包括：高速气流发生装置、设置在高速气流发生装置气流出口处的基体材料5、对称设置在高速气流发生装置气流出口与基体材料5之间的正极靶材1和负极靶材2，正极靶材1、负极靶材2分别与脉冲电源3和伺服控制系统4连接。

上述技术方案中，所述高速气流发生装置包括：储气罐61、与储气罐61依次通过管道连接的增压装置62和高压气体喷头63；正极靶材1或负极靶材2均为电阻率小于1Ω·cm的导电材料；靶材为块体形状，正极靶材1和负极靶材2对称设置在高速气流发生装置气流出口与基体材料5之间，所述高速氩气气体的速度为1100m/s；脉冲电源放电电流为50A，脉宽为100μs，占空比为1:10。

实验完成后对上述WC涂层7进行硬度测试，得出涂层平均硬度为170HRC，而H13热作模具钢硬度为54HRC，涂层的硬度为基体材料硬度的3倍，且表面无明显裂纹，结果证明这种方法能明显提高材料的承载能力。然后使用摩擦磨损试验机进行实验，摩擦副为300号砂纸，粒度为200μm，载荷为1kg，磨程为600m，涂层磨损体积为1.6×10^-2mm³，H13热作模具钢磨损体积为3.5×10^-2mm³，涂层耐磨性是基体材料的2.2倍，证明涂层耐磨性大大增加。

实施例2

如图2所示，一种基于电火花放电的涂层制备方法，该制备方法包括如下过程：

靶材材料为圆柱体状的工业纯钛TA2棒，直径5mm，正极靶材1和负极靶材2一共各四根TA2棒分别以阵列形式对称设置在高速气流发生装置气流出口下侧的外周围，如图3所示(图3所示为八根TA2棒B、C、D、E和b、c、d、e通过套管式夹具8以阵列形式对称设置在高速气流发生装置气流出口下侧的外周围)，正极靶材1和负极靶材2之间的间距为0.3mm。基体材料5为圆柱状45钢，通过固定旋转装置把基体材料5固定并以转速为60r/min的速度匀速旋转。

首先将作为电极的正极靶材1、负极靶材2分别与相互隔离的四组脉冲电源3正极负极相连，并通过伺服控制系统4控制套管式夹具8使正极靶材1、负极靶材2分别匀速移动，从而使相互正对着的两TA2棒能产生电火花放电，即在同一时刻能产生4次放电，开路电压为300V，在放电过程中用高速高纯氮气气流对正极靶材1、负极靶材2放电区域进行冲涮，使由正极靶材1、负极靶材2放电而产生的熔化和气化的TA2产物在高速气流的作用下高速冲击在圆柱状45钢的基体材料5表面，然后凝固形成40μm厚度的TiN涂层9。

一种基于上述电火花放电的涂层制备方法的装置，该装置包括：高速气流发生装置、设置在高速气流发生装置气流出口处的基体材料5、对称设置在高速气流发生装置气流出口与基体材料5之间的正极靶材1和负极靶材2，正极靶材1、负极靶材2分别与脉冲电源3和伺服控制系统4连接。

上述技术方案中，所述高速气流发生装置包括：储气罐61、与储气罐61依次通过管道连接的增压装置62和高压气体喷头63，高压气体喷头63与套管式夹具8之间及正极靶材1和负极靶材2之间均设置有绝缘层；正极靶材1或负极靶材2均为电阻率小于1Ω·cm的导电材料；所述高速高纯氮气气体的速度为1500m/s，既可做为保护气，同时也是涂层中N的来源；脉冲电源放电电流为60A，脉宽为200μs，占空比为1:5。

实验完成后对TiN涂层9进行显微硬度测试，采用HVS-1000型显微硬度计测量，实验加载100g，保荷时间10s，表层10μm处的显微硬度最高达1600HV，是基体硬度(269HV)的5倍以上，且表面无明显裂纹，结果证明这种方法能有效地提高材料的承载能力；然后采用型号为MM-200型环-块摩擦磨损试验机进行磨损试验，试样轴转速200r/min，法向载荷50N，磨损时间30min，其中涂层磨损失重0.0011g，而基体材料失重0.0071g，证明制备涂层后耐磨性大大增加。