本发明属于硬质合金刀具材料，具体涉及一种金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具及其制备方法。
背景技术：
1、工业快速崛起及市场对硬质合金刀具的需求不断增加，使得硬质合金刀具的性能有了更高的要求，随之发展起来的是硬质合金刀具表面改性技术即刀具涂层的制备工艺；涂层刀具是在韧性较高的基体表面上涂覆耐磨性好、硬度高的难熔单质或者化合物，不仅提高刀具的性能，还拓宽刀具的使用范围；目前对涂层刀具的研究主要集中在刀具涂层材料、涂层结构及涂层制备技术等方面。
2、中国专利（公开号为cn109930129b）公开了一种复合金刚石涂层硬质合金刀具及制备方法，该专利通过在沉积金刚石过程中掺硼，使硼原子进入金刚石晶格中可以调节每层金刚石涂层的内应力，从而使不同层纳米晶体之间的应力接近，有效改善复合涂层内部的应力分布，进一步提高微纳米复合涂层的完整性；通过掺杂硼元素形成掺硼微米晶，硬质合金表面的钴元素可与之反应生成硼钴化合物，从而减少钴对沉积金刚石涂层的不利影响。但是该专利并未解决现有技术中存在的纳米复合涂层硬质合金刀具抗弯强度较低，硬度不高，同时涂层与基体结合力不足的问题，严重影响其实际使用。
3、因此，如何对选择合适的硬质合金基体和涂层浆料，并对关键组分进行改性处理，有效提高纳米复合涂层硬质合金刀具的抗弯强度和硬度，同时保证涂层与基体之间良好的结合力，使其能够应用于金属间化合物/高温合金加工，成为了需要重点攻克的方向。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具及其制备方法，旨在解决现有技术中纳米复合涂层硬质合金刀具存在的抗弯强度较低，硬度不高，同时涂层与基体结合力不足的问题。
2、本发明使用镧掺杂碳化钨和改性镍粉配合其他原料制备硬质合金基体，然后喷涂涂层浆料，配合涂层浆料中的氮化硼复合材料和磁性壳聚糖，制备得到金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具，通过多组分的共同作用，有效提高材料的抗弯强度和硬度，并保证涂层与基体之间良好的结合力。
3、本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
4、本发明的第一方面，提供一种金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具的制备方法，包括以下步骤：
5、步骤s1：以重量份计，将50~60份碳化钨、30~40份二氧化钛、4~6份镍粉和4~6份钴粉混合均匀，置于氢气气氛下球磨20~24h，然后在1000~1020℃的条件下保温110~120min，得到混合粉料；将所述混合粉料压制成坯体，对坯体依次进行一次烧结处理和二次烧结处理后得到硬质合金基体；
6、步骤s2：将所述硬质合金基体先采用抛光处理，然后浸入到丙酮中进行超声浸润处理，浸润处理结束后室温下自然干燥，得到清洁后硬质合金基体；
7、步骤s3：在所述清洁后硬质合金基体的表面喷涂涂层浆料，然后进行烧结改进处理，得到金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具；
8、所述涂层浆料的制备方法包括：以重量份计，将16~20份氮化硼、6~8份壳聚糖液剂和3~5份二氧化锆混合均匀，然后在转速为1200~1400r/min的条件下球磨3~5h，得到所述涂层浆料；
9、所述壳聚糖液剂的制备方法包括：以重量份计，将6~8份壳聚糖加入到200~240份质量浓度分数为4%的醋酸溶液中搅拌溶解，然后加入4~6份纳米四氧化三铁进行超声分散处理，再加入0.2~0.4份司班80和20~30份液体石蜡，在50~60℃的条件下反应30~40min，最后加入0.6~0.8份戊二醛交联40~60min，交联完成后调节ph至9.2~9.6反应2~4h，磁铁分离获得固体物，将所述固体物依次用丙酮和去离子水洗涤，干燥，得到磁性壳聚糖；将4~6份所述磁性壳聚糖加入到80~100份质量浓度分数为2%的醋酸溶液中，在40~50℃的条件下搅拌4~6h，然后加入6~8份木质素磺酸钠混合均匀，得到所述壳聚糖液剂。
10、涂层浆料中的磁性壳聚糖中引入了纳米四氧化三铁，可以通过填充硬质合金基体表面的微孔、裂纹和其他缺陷，形成机械互锁结构，这种微观结构优化不仅增加了涂层与基体之间的接触面积，还增强了机械锁定效应，提高涂层与基体结合力。
11、作为本发明的优选技术方案，所述一次烧结处理的条件包括：置于真空条件下，温度为880~890℃，时间为40~50min。
12、作为本发明的优选技术方案，所述二次烧结处理的条件包括：置于氮气保护下，温度为1420~1440℃，时间为70~80min。
13、作为本发明的优选技术方案，所述超声分散处理的条件包括：超声分散功率为200~300w，超声分散时间为10~20min。
14、作为本发明的优选技术方案，所述烧结改进处理的条件包括：先在800~840℃的条件下一次保温2~4h，再以4℃/min的速率升温至1020~1040℃二次保温1~2h，最后以2℃/min的速率升温至1260~1280℃三次保温2~4h，保温结束冷至室温。
15、作为本发明的优选技术方案，所述碳化钨为镧掺杂碳化钨；所述镧掺杂碳化钨的制备方法包括：以重量份计，将140~150份偏钨酸铵和10~16份硝酸镧加入到280~300份去离子水中搅拌20~30min，然后加入20~25份葡萄糖搅拌1~2h后静置20~24h，得到混合料液；将所述混合料液进行喷雾干燥结晶处理，得到混合前驱体；将所述混合前驱体先置于氮气气氛中，在460~470℃的条件下煅烧20~30min，再置于氢气气氛中，在920~940℃的条件下煅烧40~50min，得到所述镧掺杂碳化钨。
16、作为本发明的优选技术方案，所述喷雾干燥结晶处理的条件包括：喷雾干燥塔的进风温度为200~210℃，出风温度为92~94℃，给料量为130~140ml/min，喷雾压力为1.2~1.4mpa。
17、镧掺杂碳化钨的镧元素可以在碳化钨晶粒生长过程中起到抑制剂的作用，阻止晶粒过度长大，通过细化晶粒增强机械性能；同时镧元素可以增强碳化钨颗粒与钴、镍之间的界面结合力，通过良好的界面结合更有效地传递应力，防止裂纹扩展，从而提高抗弯强度。
18、作为本发明的优选技术方案，所述镍粉为改性镍粉；所述改性镍粉的制备方法包括：以重量份计，将140~145份镍粉和90~95份钛粉混合均匀后压制成薄片，将压制后的薄片置于700~750℃的条件下保温3~4h，冷却至室温得到镍钛合金烧结物料；将200~240份所述镍钛合金烧结物料放入球磨机中，加入质量浓度分数为80％的乙醇溶液研磨10~12h，在100~110℃的条件下干燥2~4h，得到所述改性镍粉。
19、改性镍粉由镍钛颗粒构成，与硬质合金混合并在高温下烧结时，镍钛颗粒会在基体中形成细小且均匀分布的第二相，这些细小的颗粒能够阻碍位错运动，从而增加材料的抗弯强度；同时改性后的镍粉拥有较高的弹性模量，在承受弯曲载荷时能够更好地抵抗变形，因此能保持较高的抗弯强度。
20、作为本发明的优选技术方案，所述氮化硼为氮化硼复合材料；所述氮化硼复合材料的制备方法包括：将0.4~0.6份三羟甲基氨基甲烷加入到280~300份去离子水中混合均匀，调节ph为8.4~8.6，然后加入1.2~1.6份盐酸多巴胺搅拌20~30min，再加入2~4份六方氮化硼超声分散2~4h，在60~70℃条件下反应20~24h，过滤，去离子水洗涤，真空干燥，得到改性氮化硼；将2~4份氧化铝和1~3份3-氨丙基三乙氧基硅烷kh550加入到80~100份无水乙醇中搅拌30~40min，超声分散2~4h，然后加入8~10份去离子水，在70~80℃的条件下搅拌4~6h，过滤，去离子水洗涤，干燥得到改性氧化铝；将2~4份所述改性氮化硼加入到180~200份n,n-二甲基甲酰胺进行一次超声处理50~60min形成悬浮液，然后加入1~3份所述改性氧化铝进行二次超声处理60~80min，在104~108℃的条件下搅拌反应6~8h，反应完成后过滤，去离子水洗涤，真空干燥，得到所述氮化硼复合材料。
21、氮化硼复合材料中的氮化硼和氧化铝都具有较高的硬度，同时可以在微观结构上形成层状结构，这种硬度叠加效应使得材料在承受高载荷时不易发生塑性变形，从而显著提升硬度；另外氮化硼和氧化铝之间的界面结合力较强，能够在受力时有效地传递应力，防止裂纹扩展，也能有效提高硬度。
22、本发明的第二方面，提供一种如第一方面所述的方法制备得到的金属间化合物/高温合金加工用纳米复合涂层硬质合金刀具。
23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24、（1）本发明涂层浆料的磁性壳聚糖中引入了纳米四氧化三铁，通过纳米四氧化三铁良好的金属吸附能力，与具有物理磁性的改性镍粉相互作用，使得壳聚糖液剂能够很好地附着在硬质合金基体表面；同时镧掺杂碳化钨的镧与壳聚糖液剂接触时，由于液剂中含有酸液，镧元素会部分溶解并形成镧离子，而被吸附的磁性壳聚糖通过表面的氨基与镧离子络合，并在后续烧结过程中形成互穿网络；另外氮化硼复合材料通过三羟甲基氨基甲烷和盐酸多巴胺中引入了羟基和氨基，能够与壳聚糖进行结合形成构筑网状结构；通过多组分的协同作用，提高纳米复合涂层硬质合金刀具的抗弯强度和硬度，同时增加涂层与基体之间的结合力。
25、（2）本发明镧掺杂碳化钨的镧元素可以在碳化钨晶粒生长过程中起到抑制剂的作用，阻止晶粒过度长大，通过细化晶粒增强机械性能；同时镧元素可以增强碳化钨颗粒与钴、镍之间的界面结合力，通过良好的界面结合更有效地传递应力，防止裂纹扩展，从而提高抗弯强度。
26、（3）本发明的改性镍粉由镍钛颗粒构成，与硬质合金混合并在高温下烧结时，镍钛颗粒会在基体中形成细小且均匀分布的第二相，这些细小的颗粒能够阻碍位错运动，从而增加材料的抗弯强度；同时改性后的镍粉拥有较高的弹性模量，在承受弯曲载荷时能够更好地抵抗变形，因此能保持较高的抗弯强度。
27、（4）本发明氮化硼复合材料中的氮化硼和氧化铝都具有较高的硬度，同时可以在微观结构上形成层状结构，这种硬度叠加效应使得材料在承受高载荷时不易发生塑性变形，从而显著提升硬度；另外氮化硼和氧化铝之间的界面结合力较强，能够在受力时有效地传递应力，防止裂纹扩展，也能有效提高硬度。
28、（5）本发明涂层浆料中的磁性壳聚糖中引入了纳米四氧化三铁，可以通过填充硬质合金基体表面的微孔、裂纹和其他缺陷，形成机械互锁结构，这种微观结构优化不仅增加了涂层与基体之间的接触面积，还增强了机械锁定效应，提高涂层与基体结合力。