本发明属于刀具加工领域，特别涉及一种复合硬质涂层刀具及其制备方法。
背景技术：
刀具的磨损程度表征了刀具的耐用度，而刀具的使用寿命等于这把刀具的重磨次数与刀具耐用度的乘积，刀具材料、形状、工件材料以及切屑液等影响这刀具的使用寿命，因此减少刀具磨损有利于延长刀具的使用寿命，提高生产效率和降低生产成本从而降低生产成本；在切削过程中，刀具在高温和高应力的作用下，前刀面与切屑，后刀面与工件间产生强烈磨擦，使刀具磨损。目前的刀具多为硬质合金涂层刀具，其寿命较短，而单独实用激光熔覆制备的涂层刀具，涂层质量较差，孔洞较多易脱落；所以针对上述情况，本发明的目的在于提供一种复合硬质涂层刀具及其制备方法。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种复合硬质涂层刀具及其制备方法；复合硬质涂层从内至外依次为基层、过渡层、表层、面层；本发明的特点在于所述方法包括以下步骤：步骤10：对刀具基体进行预处理；去离子水超声波清洗10min，无水乙醇超声波清洗10min；步骤20：超音速喷涂打底制备基层；步骤30：制备第一金属陶瓷复合粉末；步骤40：在基层基础上激光熔覆第一金属陶瓷复合粉末制备过渡层；步骤50：制备第二金属陶瓷复合粉末；步骤60：在过渡层基础上激光熔覆第二金属陶瓷复合粉末制备表层；步骤70：在表层的基础上采用超音速喷涂制备面层。将金属粉末、陶瓷粉末进行结合，分别采用超音速喷涂、激光熔覆法进行分别处理；处理后的涂层既保持了金属粉末的冶金结合能力，使得涂层牢固不易脱落，同时也保持了陶瓷粉末的高硬度、耐高温的性能；涂层整体较为平整均匀，提高了刀具的耐热性、稳定性；各层之间冶金结合牢固，提高涂层寿命，防止脱落；本发明的优点在于硬度高、耐磨性好、能够解决刀具寿命短、不易修复的问题。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：一种复合硬质涂层刀具制备方法，其包括以下步骤：
步骤10：对刀具基体进行预处理；去离子水超声波清洗10min，无水乙醇超声波清洗10min；
步骤20：超音速喷涂打底制备基层；
步骤30：制备第一金属陶瓷复合粉末；
步骤40：在基层基础上激光熔覆第一金属陶瓷复合粉末制备过渡层；
步骤50：制备第二金属陶瓷复合粉末；
步骤60：在过渡层基础上激光熔覆第二金属陶瓷复合粉末制备表层；
步骤70：在表层的基础上采用超音速喷涂制备面层。
进一步的，所述步骤20超音速喷涂打底材料为nicr20；所述nicr20粒度为240目-300目；所述步骤70超音速喷涂打底材料为ni270；所述ni270粒度为240目-300目。
进一步的，所述步骤30的第一金属陶瓷复合粉末为以下重量百分数的各组分：77.3％nicr50粉末+22.7％al2o3粉末；所述nicr50粉末粒度为200目-300目；所述al2o3粉末为纳米粉末。
进一步的，所述步骤50的第二金属陶瓷复合粉末为以下重量百分数的各组分：52.4％nicr50+26.4％al2o3粉末+21.2％aln；所述nicr50粉末粒度为200目-300目；所述al2o3粉末为纳米粉末；所述aln粉末为纳米粉末。
进一步的，所述步骤30：制备第一金属陶瓷复合粉末还包括以下步骤：
步骤31：第一金属陶瓷复合粉末按重量百分数量取nicr50粉末、al2o3粉末混合；
步骤32：将混合的粉末放入行星球磨机进行充分混合，混合时间2h；混合结束后取出加入；
步骤33：取聚乙烯醇制备聚乙烯醇水溶液；
步骤34：取步骤32混合好的粉末加入1.5ml聚乙烯醇溶液进行混合，混合后放入模具，压制激光熔覆预置粉末片。
进一步的，所述步骤50：制备第二金属陶瓷复合粉末还包括以下步骤：
步骤51：第二金属陶瓷复合粉末按重量百分数量取nicr50、al2o3粉末、aln混合；
步骤52：将混合的粉末放入行星球磨机进行充分混合，混合时间2.5h；混合结束后取出加入；
步骤53：取聚乙烯醇制备聚乙烯醇水溶液；
步骤54：取步骤52混合好的粉末加入2ml聚乙烯醇溶液进行混合，混合后放入模具，压制激光熔覆预置粉末片。
进一步的，所述步骤20超音速喷涂工艺参数如下：氧气流量820l/min，煤油流量21.7l/h，送粉载气流量6l/min，压缩空气压强0.8mpa，送粉量100g/min，喷枪移动速度8.2mm/s；所述步骤70超音速喷涂工艺参数如下：氧气流量800l/min，煤油流量22.3l/h，送粉载气流量6l/min，压缩空气压强0.8mpa，送粉量120g/min，喷枪移动速度8.0mm/s。
进一步的，所述步骤40激光熔覆工艺参数如下：功率1800w，保护器流量1500ml/min，扫描速度4mm/s，离焦量15mm；所述步骤60激光熔覆工艺参数如下：功率1900w，保护器流量2000ml/min，扫描速度2mm/s，离焦量25mm。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
将金属粉末、陶瓷粉末进行结合，分别采用超音速喷涂、激光熔覆法进行分别处理；处理后的涂层既保持了金属粉末的冶金结合能力，使得涂层牢固不易脱落，同时也保持了陶瓷粉末的高硬度、耐高温的性能；涂层整体较为平整均匀，提高了刀具的耐热性、稳定性；各层之间冶金结合牢固，提高涂层寿命，防止脱落；本发明的优点在于硬度高、耐磨性好、能够解决刀具寿命短、不易修复的问题。
具体实施方式
一种复合硬质涂层刀具制备方法，其包括以下步骤：
步骤10：对刀具基体进行预处理；去离子水超声波清洗10min，无水乙醇超声波清洗10min；
步骤20：超音速喷涂打底制备基层；
步骤30：制备第一金属陶瓷复合粉末；
步骤40：在基层基础上激光熔覆第一金属陶瓷复合粉末制备过渡层；
步骤50：制备第二金属陶瓷复合粉末；
步骤60：在过渡层基础上激光熔覆第二金属陶瓷复合粉末制备表层；
步骤70：在表层的基础上采用超音速喷涂制备面层。
其中，所述步骤20超音速喷涂打底材料为nicr20；所述nicr20粒度为240目-300目；所述步骤70超音速喷涂打底材料为ni270；所述ni270粒度为240目-300目。
其中，所述步骤30的第一金属陶瓷复合粉末为以下重量百分数的各组分：77.3％nicr50粉末+22.7％al2o3粉末；所述nicr50粉末粒度为200目-300目；所述al2o3粉末为纳米粉末。
其中，所述步骤50的第二金属陶瓷复合粉末为以下重量百分数的各组分：52.4％nicr50+26.4％al2o3粉末+21.2％aln；所述nicr50粉末粒度为200目-300目；所述al2o3粉末为纳米粉末；所述aln粉末为纳米粉末。
其中，所述步骤30：制备第一金属陶瓷复合粉末还包括以下步骤：
步骤31：第一金属陶瓷复合粉末按重量百分数量取nicr50粉末、al2o3粉末混合；
步骤32：将混合的粉末放入行星球磨机进行充分混合，混合时间2h；混合结束后取出加入；
步骤33：取聚乙烯醇制备聚乙烯醇水溶液；
步骤34：取步骤32混合好的粉末加入1.5ml聚乙烯醇溶液进行混合，混合后放入模具，压制激光熔覆预置粉末片。
其中，所述步骤50：制备第二金属陶瓷复合粉末还包括以下步骤：
步骤51：第二金属陶瓷复合粉末按重量百分数量取nicr50、al2o3粉末、aln混合；
步骤52：将混合的粉末放入行星球磨机进行充分混合，混合时间2.5h；混合结束后取出加入；
步骤53：取聚乙烯醇制备聚乙烯醇水溶液；
步骤54：取步骤52混合好的粉末加入2ml聚乙烯醇溶液进行混合，混合后放入模具，压制激光熔覆预置粉末片。
其中，所述步骤20超音速喷涂工艺参数如下：氧气流量820l/min，煤油流量21.7l/h，送粉载气流量6l/min，压缩空气压强0.8mpa，送粉量100g/min，喷枪移动速度8.2mm/s；所述步骤70超音速喷涂工艺参数如下：氧气流量800l/min，煤油流量22.3l/h，送粉载气流量6l/min，压缩空气压强0.8mpa，送粉量120g/min，喷枪移动速度8.0mm/s。
其中，所述步骤40激光熔覆工艺参数如下：功率1800w，保护器流量1500ml/min，扫描速度4mm/s，离焦量15mm；所述步骤60激光熔覆工艺参数如下：功率1900w，保护器流量2000ml/min，扫描速度2mm/s，离焦量25mm。
工作原理：
本发明采用以上技术方案，将金属粉末、陶瓷粉末进行结合，分别采用超音速喷涂、激光熔覆法进行分别处理；处理后的涂层既保持了金属粉末的冶金结合能力，使得涂层牢固不易脱落，同时也保持了陶瓷粉末的高硬度、耐高温的性能；涂层整体较为平整均匀，提高了刀具的耐热性、稳定性；各层之间冶金结合牢固，提高涂层寿命，防止脱落；本发明的优点在于硬度高、耐磨性好、能够解决刀具寿命短、不易修复的问题；同时在传统激光熔覆涂层的基础上再增加超音速喷涂一层面层，能够使得刀具近净成形，减少后续加工步骤。
激光熔覆是增材制造中常用的手段之一，也是公认的高效修复手段，一直是各国学者研究的重要课题，这项技术在熔覆时由于技术本身的缺点容易出现裂纹。本发明提出的制备方法利用超音速喷涂法与激光熔覆法结合，在刀具基体制备超音速喷涂法保证刀具基体第一层的致密性；在基层的基础上采用预置熔覆法熔覆金属陶瓷混合粉末形成过渡层，保证基层与过渡层良好的冶金结合；在过渡层的基础上熔覆表层，表层中的陶瓷含量相对于过渡层含量更多，性能更加，与过渡层结合较好；最后在表层的基础上进行超音速喷涂ni270，ni270的优点在于喷涂后刀具表面光洁度高，耐蚀耐磨性较好。
nicr20及nicr50都为镍铬合金粉，流动性好，是粉末冶金，等离子喷涂，喷焊或是激光熔覆，等行业理想的原材料粉体。品质可靠，粒度均匀，氧含量低。具有耐高温耐磨性的特性，同时润湿性能好能够与陶瓷粉末牢固结合。其中nicr20最适合用于超音速喷涂打底。
aln粉末最高可稳定到2200℃。室温强度高，且强度随温度的升高下降较慢。导热性好，热膨胀系数小，是良好的耐热冲击材料。抗熔融金属侵蚀的能力强，在刀具加工过程中可以有效保证刀具的稳定性和耐磨性；al2o3粉末具有耐高温、热膨胀系数小、机械强度大以及热传导率好等特点，有着其它有机材料和金属材料不可比拟的优良性质，同时氧化铝陶瓷耐磨性好，硬度好十分适合作为增强相提高刀具性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。