一种高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统及其实现方法与流程

本发明涉及一种高通量耐磨蚀材料制备和筛分技术，属于金属材料表面处理领域。具体来讲就是公开了一种利用等离子熔射方法高效率地获得不同成分、组织结构以及耐磨蚀性能的涂层材料，提高研发效率；同时涂层与基体是冶金结合，也可以高效率获得沿厚度方向性能连续变化的梯度材料。

背景技术：

在我国的煤化工、石油行业的各类闸阀，矿山、水泥行业的各种沙泵、渣浆泵、水轮机、输送管道等，工作在复杂、严苛的磨损、腐蚀环境下，因为工件表面的防护涂层材料以及性能不合乎要求，而大大缩短了使用寿命，既带来安全隐患，也成为消耗最大的易损件。

目前常用的在表面获得超厚、强冶金结合涂层方式主要包括：激光和等离子熔覆、堆焊、双金属复合熔铸或镶铸等，皆是在不同的金属材料基材上制备不同的覆层，然后分别检测其耐磨、耐蚀等性能。目前的一般做法大多局限于实验法，针对工件需要，调整不同的元素比例，制备不同样品，然后测定其性能。然而，在面对多元素、多比例的耐磨蚀涂层制备时，效率低，成本高，耗时长，并且制备过程中影响涂层性能的工艺参数多，应用这类研究方法已经远不能满足不同行业对耐磨蚀材料以及涂层的需求。

中国专利cn106198366a公布了一种高通量软磁材料表面防腐层的离子束溅射方法，可进行高通量设计和制备，效率高、成本低，缩短了研发的周期，适合于制备多元素，多比例防腐材料，以此获得大量性能优异的表面防腐材料样品。

中国专利cn105954074a公布了一种高通量制备多组分梯度金属材料的装置，实现沿长度方向化学成分连续梯度分布的多组元合金管、棒、型等长材的高通量制备多组分梯度。通过控制熔融金属成分的连铸工艺来实现高通量多组分梯度金属材料制备，缩短了材料从成分设计、熔炼、性能制备、应用制备的时间进程，减少了多炉熔炼合金的冶金能耗，降低了开发成本，提高了新金属梯度材料制备质量和效率。该装置粉末流量的控制方式不灵活，无法实现精确控制。

中国专利cn105839169a公开了一种材料的电沉积高通量制备设备与方法，单次实验能将整个体系的几乎所有成分做出来，既能用于制备用于实验研究的微纳样品，也能用于大规模工业生产。

中国专利cn105935780a公开了一种合成金属基粉体材料的装置及其高通量合成方法。中国专利cn105834691a公开了一种锆合金的高通量制备方法，涉及一种水冷核反应堆中用作核燃料包壳锆合金的高通量制备方法，可快速建立锆合金耐腐蚀性能与成分关系的高通量制备和表征方法。

采用以上不同的高通量设计和制备方法，可以提高新材料的制备质量和效率，但迄今为止，应用组合制备、高通量筛选技术研发具有耐磨蚀性能的超厚、强冶金结合涂层的方法，还尚未见到国内外报道。在设计和制造耐磨蚀涂层时，需要掌握耐磨蚀涂层自身的性能，但是耐磨蚀涂层的成分、组织结构对性能的影响非常的复杂，且制备效率低下，使得涂层性能单一，无法满足大范围以及复杂工况条件的需要；同时，为获得系统的工艺参数、测试条件对耐磨蚀材料的影响规律，往往需要耗费大量时间开展系列实验，极大阻碍了新材料的开发周期；同时很多有抗冲击要求的耐磨蚀材料，既需要涂层与基体是冶金结合，又需要性能是沿厚度方向连续变化的梯度材料，而不同的性能梯度，都需要原料成分或者制备工艺的连续变化来获得，现有的研究方法耗材、耗时。因此，迫切需要开发高通量制备耐磨蚀材料及涂层的技术，快速获得理想的性能，同时提高研发效率、降低成本。

技术实现要素：

为解决现有技术粉末流量可调性和配比精确度差的技术问题，本发明提供了一种可以获得耐磨蚀性能超厚、强冶金结合涂层的高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统。该系统由伺服电机驱动同步带和带轮，通过无机变速，更容易实现粉末流量、配比精确、连续可调。

本发明同时提供该系统的实现方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统，它包括自上而下设置的多个料筒、第一送粉机构、至少一个搅拌罐、一个储粉罐、一套第二送粉机构和一个等离子发生器，要求每个料筒对应一套第一送粉机构，其中：

所述的第一送粉机构和第二送粉机构结构相同，单套送粉机构结构是：包括封闭壳体，所述的封闭壳体上端通过送料管与料筒出粉口相连，在封闭壳体内部设置有同步带轮，同步带轮连接在外界的伺服电机输出端上，同步带安装在同步带轮上；封闭壳体下端通过并联送粉管与所有搅拌罐进料口相连，在并联送粉管上均设有阀门，设置阀门的目的是控制料筒的粉料送向指定的搅拌罐中；

所述的搅拌罐出料口也通过送粉管与储粉罐相连，储粉罐的下端与第二送粉机构相连，第二送粉机构底端通过送粉管与等离子发生器相连；

所述的料筒上设有送气口；

进一步：搅拌筒的出料口处也设有阀门，搅拌筒顶部设有送气口；

上述高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统的实现方法：具体包括以下步骤：

步骤1：粉体准备

耐磨蚀原材料分为三类：一是金属粉，二是金属间化合物原料粉，三是陶瓷强化相原料粉，以便获得金属-陶瓷复合涂层；

进一步，金属粉包括：fe、al、ni、co、cr等；金属间化合物原料粉包括：fe+al、ni+al、co+al、cr+al等；陶瓷强化相原料粉包括ti+w+b4c+c3n等；

步骤2：装料

设计不同组分和不同比例的多个试验方案，将试验方案中涉及到的所有原料装入不同的料筒中；

步骤3：高通量连续送粉混匀

开动伺服电机，调节每个料筒送粉机构的伺服电机速度，使得每个料筒中的料粉按照试验方案设计的比例落在各自的同步带上，伺服电机转动时驱动带轮以及同步带，将同步带上的粉料落入到下面的一个搅拌筒中，在搅拌筒中粉料被搅拌混匀；同理，按照同样的方法，调节不同原料流速，控制进入不同搅拌筒的不同粉末供应量，以满足不同试验方案；

步骤4：高通量等离子束熔覆

落入到搅拌罐中的粉料经搅拌混匀后在送粉气作用下落入下面的储粉罐中，粉料在储粉罐之后再在送粉气作用下落到下方第二送粉机构的同步带上，通过第二送粉机构并在氩气的保护作用下送入等离子发生器中，在等离子束作用下，粉料被直接吹入等离子束熔池中进行等离子熔覆，并通过冷却循环水对发生器进行冷却；

步骤五：连续高通量等离子束熔覆

当熔覆完成后，得到一带有涂层的样品，此时打开另一搅拌罐的阀门，再次按照步骤四的方法，进行第二个试验设计方案的涂层制备，在熔覆过程中，空出来的搅拌筒可以继续别的试验方案组分的混料，实现等离子发生器的连续送粉；这样调整等离子设备电流，结合等离子束流水平移动，通过连续送粉，在金属表面制备出不同成分配比的耐磨蚀涂层，或者同一成分配比而工艺参数-电流连续变化的耐磨蚀涂层，也可以通过等离子束流水平运动，与高度调节结合，形成不同成分或者工艺参数的梯度涂层的样品；

步骤六：筛选样品

步骤6.1：样品处理

将不同成分或者工艺参数熔覆后的样品分别切割成为便于筛分的样品尺寸，优选尺寸为10×10mm的样品，并做好顺序标记；

步骤6.2：磨蚀测试

将样品全部放在磨蚀实验台上，模拟实际工况条件，在完全相同的环境下，进行往复式、旋转式的磨损，同时滴入酸性、碱性、或盐等介质，一次性完成涂层材料的磨蚀测试。达到规定的时间以后，去取样品烘干，并用丙酮清洗表面；

步骤6.3：耐磨蚀性能及对比

三维形貌仪观察全部样品不同区域的磨蚀形貌，依次记录每个样品的体积损失，以磨蚀后的体积损失多少，评价涂层的耐磨蚀性能；并用电子探针测量每个样品的平均成分，进而快速建立涂层耐磨蚀性能与成分、工艺的关系，并根据相应的磨蚀性能数据结果进行快速筛选，最终获得耐磨蚀性能优良的涂层成分、工艺参数。

本发明在制备金属-陶瓷复合涂层时，既可以提前将金属间化合物各组分配好直接加入到一个料筒中，也可以将金属间化合物的各组分分别加到不同的料筒中，此时，需要的料筒数目较多。

进一步地，步骤1中所述的金属间化合物基体原料或金属等粉末流速，在等离子熔覆过程中始终是均匀的，而陶瓷强化相原料粉末的流速是从零开始，逐渐增加至与所述的金属间化合物基体原料粉末流速一致。从而，通过控制料筒中粉末流速，既可以获得单纯的金属间化合物涂层，提高耐蚀性，也可以获得以金属间化合物为基体，陶瓷强化相从0-50wt.％连续变化的复合涂层，提高耐磨蚀性。

进一步地，步骤1中所述的金属-陶瓷复合涂层，通过改变金属间化合物基体、调整陶瓷相含量从0-50wt.％，即可在一次实验中，自动化生成系列成分，同时获得多种不同成分的金属间化合物/陶瓷复合涂层样品，可显著提高制备效率，针对不同工况条件，加快最佳组分的探索，缩短研发周期，减少实验误差。

本发明的优点是：

1、本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：本发明采用同步带及带轮，通过无机变速控制流量、连续调整粉末流速，更容易实现粉末流量、配比精确、连续可调实现多种组元以不同比例任意组合，有利于在广泛的范围内，选择最佳的涂层材料组分；涂层经过相同的等离子熔覆过程，期间无间断，保证了样品制备条件的同一性；利用加速试验对不同组分样品进行高效筛选，一次性完成涂层耐磨蚀性能的测试；本发明的高通量方法可进行高通量制备、筛分，效率高、减少了实验误差。

2、对于本发明所采用的高通量制备技术而言，由于采用了先进的涂层成分、性能准连续变化制备方法，使之在耐磨蚀涂层材料研究中体现出巨大优势。本发明的制备方法与传统的熔覆涂层技术相比：可进行高通量的制备，使得材料选择范围大、效率高、成本低；特别适合于制备多组分、多工艺参数的耐磨蚀材料，以此获得大量性能优异的耐磨蚀材料样品；可以一次直接在同一种金属基体上制备多种配方、不同工艺的耐磨蚀涂层或者梯度材料，减少了实验误差。

附图说明

图1为本发明高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统实施例的结构示意图；

图2为图1中a部分结构放大图。

图中：1-料筒；2-第一送粉机构；3-搅拌罐；4-储粉罐；5-第二送粉机构；6-等离子发生器；7-基底；8-等离子束；9-熔池；10-冷却水管。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

如图1-2所示，高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统实施例，自上至下，纵向设置，依次为：五个料筒1、五套第一送粉机构2、五个搅拌罐3、一个储粉罐4、一套第二送粉机构5和等离子发生器6。从图1中可以看出，五个料筒1下端通过送粉管分别连接相对应的第一送粉机构2，所述的第一送粉机构2和第二送粉机构5结构相同，单套送粉机构结构是：包括有封闭壳体，封闭壳体上端连接料筒1送粉管，在封闭壳体内部固定支撑有同步带轮，同步带轮连接在外部伺服电机输出端上，同步带安装在同步带轮上；在封闭壳体下侧伸出五条送粉管，且在每条送粉管上安装有阀门，阀门优先安装位置为送粉管的起始处，五条送粉管再分别连接五个搅拌罐3，五个搅拌罐3下端分别再通过送粉管连接至储粉罐4；储粉罐4底部通过送粉管连接第二送粉机构5，第二送粉机构5通过送粉管连接等离子发生器6，在等离子发生器6下侧对应位置设有基底7。

下面通过实施例详述本发明高通量耐磨蚀材料等离子熔覆制备系统的实现方法。

为了叙述方便，实施例中粉末体系的种类与料筒的个数相等

实施例一：

实施例一以制备金属间化合物-陶瓷复合涂层为例。

步骤1：粉体准备

金属间化合物原料：分别按照摩尔比fe:al、ni:al、co:al、cr:al＝1:1配比，获得fe+al、ni+al、co+al、cr+al原料，熔覆后在涂层中分别形成不同的feal、nial、coal、cral金属间化合物；

陶瓷强化相原料：按照摩尔比ti:w:b4c:c3n4＝3:3:2:1或4；1:2:1配比，获得ti+w+b4c+c3n4原料，熔覆后在金属间化合物基体中形成wc、w2c、tib2、tic、ti(c,n)等陶瓷强化相，总共5种体系的金属间化合物-陶瓷复合涂层。

步骤2：装料

将步骤1所述的两类原材料五种体系：fe+al、ni+al、co+al、cr+al、ti:w:b4c:c3n4分别装入五个不同的料筒1中；

步骤3：高通量连续送粉混匀

开动电机，料筒1的粉料落到同步带上，电机转动时驱动料筒1的第一送粉机构2的带轮以及同步带，带轮带动同步带上的粉末落入搅拌罐3中进行搅拌混匀，调节某料筒第一送粉机构1伺服电机的速度，即可以调节该料筒1中原料的料速，速度越快，混合原料中对应的该种粉末的含量越高；通过调节不同原料流速，来控制进入不同搅拌罐3的不同粉末供应量，搅拌罐3的料粉经过充分混合以后，再进入储粉罐，以便获得连续变化的不同配比；这样，五个搅拌罐中混合粉末相当于五个试验方案，相互之间要么组分相同仅仅比例不同，或者组分不同但组分比例相同，或者组分比例均不同；

步骤4：高通量等离子束熔覆

当需要某一个搅拌罐3中粉料时，就打开该搅拌罐3的阀门，让粉料在送粉气作用下落入下面的储粉罐4中，粉料在储粉罐4之后再在送粉气作用下落到下方第二送粉机构的同步带上，通过第二送粉机构5送粉并在氩气的保护作用下直接吹入等离子发生器6中，在等离子束8作用下，粉料被直接吹入等离子束熔池9中，并通过冷却水管10中的循环水对发生器进行冷却；

步骤五：连续高通量等离子束熔覆

当熔覆完成后，得到一带有涂层的样品，此时打开另一搅拌罐的阀门，再次按照步骤四的方法，进行第二次涂层制备，以此类推；在熔覆过程中，空出来的搅拌筒3可以继续别的试验方案组分的混料，从而实现等离子发生器的连续送粉；这样调整等离子设备电流100～200a，结合等离子束流水平移动，通过连续送粉，在金属表面制备出不同成分配比的耐磨蚀涂层，或者同一成分配比而工艺参数-电流连续变化的耐磨蚀涂层，也可以通过等离子束流水平运动，与高度调节结合，形成不同成分或者工艺参数的梯度涂层的样品；

所述的等离子熔覆工艺参数：送粉速率控制在8-15g/min，转移弧电流为100-200a，电压50v，等离子发生器水平移动线速度500-700mm/min，送粉气氩气的气量5-8l/min，等离子束斑直径φ10mm与样品阵列中的样品单元等宽，等离子喷嘴离表面的距离为10mm，涂层厚度控制在2.0-5.0mm。

步骤六：筛选最佳试验方案

步骤6.1：样品处理

将不同成分或者工艺参数熔覆后的样品分别切割成为便于筛分的样品尺寸，优选尺寸为10×10mm的样品，并做好顺序标记；

步骤6.2：磨蚀测试

将样品全部放在磨蚀实验台上，模拟实际工况条件，在完全相同的环境下，进行往复式、旋转式的磨损，同时滴入酸性、碱性、或盐等介质，一次性完成涂层材料的磨蚀测试；达到规定的时间以后，去取样品烘干，并用丙酮清洗表面；

步骤6.3：耐磨蚀性能及对比

三维形貌仪观察全部样品不同区域的磨蚀形貌，依次记录每个样品的体积损失，以磨蚀后的体积损失多少，评价涂层的耐磨蚀性能；并用电子探针测量每个样品的平均成分，进而快速建立涂层耐磨蚀性能与成分、工艺的关系，并根据相应的磨蚀性能数据结果进行快速筛选，最终获得耐磨蚀性能优良的涂层成分、工艺参数。

进一步地，步骤1中所述的金属间化合物基体原料fe+al、ni+al、co+al、cr+al等粉末流速，在等离子熔覆过程中始终是均匀的，而陶瓷强化相原料ti+w+b4c+c3n4粉末的流速是从零开始，逐渐增加至与所述的金属间化合物基体原料粉末流速一致。从而，通过控制两个料筒中粉末流速，既可以获得单纯的feal、nial、coal、cral等金属间化合物涂层，提高耐蚀性，也可以获得以feal、nial、coal或cral等金属间化合物为基体，陶瓷强化相wc+w2c+tib2+tic+ti(c,n)从0-50wt％连续变化的复合涂层，提高耐磨蚀性。

进一步地，步骤1中所述的金属陶瓷复合涂层，通过改变金属间化合物基体、调整陶瓷相含量从0-50wt％，即可在一次实验中，自动化生成系列成分，最多可同时获得250组不同成分的金属间化合物/陶瓷复合涂层样品，可显著提高制备效率，针对不同工况条件，加快最佳组分的探索，缩短研发周期，减少实验误差。技术通过控制粉末的流量来实现不同组分粉末的混合由伺服电机驱动同步带和带轮，通过无机变速，更容易实现粉末流量、配比精确、连续可调。

实施例二：

实施例二以制备单纯的金属间化合物涂层，它和实施例一操作方法基本相同，不同的是原料为金属原料fe、al、ni、co、cr，五种金属原料装入五个不同的料筒1中。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。