CN106637045A - 一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法 - Google Patents

一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法。该方法包括：进行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末；对金属基体表面进行预处理；采用等离子喷涂工艺将混合粉末喷涂在处理后的金属基体表面上，以在金属基体表面形成Co基WC涂层；对形成Co基WC涂层进行激光重熔处理，以在金属表面获得与基体呈冶金结合、致密的Co/WC涂层。本发明通过采用Co基合金作为粘结基体，克服了WC由于烧结性差，获得的涂层易断裂等缺点；同时结合了等离子喷涂与激光熔覆两种技术，在金属表面获得的Co基WC涂层具有均匀致密，不易断裂，且与基体呈冶金结合的优点。

Description

一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理工艺，尤其涉及一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法。
背景技术
金属材料作为现代社会使用最广泛的工程材料，其在服役过程中，往往容易产生热疲劳磨损或受到腐蚀介质的侵蚀，这将直接导致金属材料的失效，因此在实际应用时，通常对金属基体表面施加涂层来延长其工作寿命。鉴于碳化钨(WC)抗氧化性强、硬度高、耐磨耐蚀性好以及热膨胀系数小等特点，众多研究通过热喷涂、激光熔覆、脉冲电极沉积等技术方法，将其作为涂层材料沉积于金属构件表面，来提高基体耐磨性，耐蚀性等，从而进一步提高金属材料的实际应用价值。
然而WC的熔点较高，脆性较大，采用等离子喷涂所获得的涂层虽然均匀性好，但受结合力影响，往往易出现脱落现象。而激光熔覆技术方法通常可以实现涂层与金属基体的冶金结合，满足结合力的要求，但由于激光熔覆过程中加热和冷却速率极快，熔覆层与基体间热膨胀系数的差异，容易导致熔覆涂层局部形成微裂纹或变形等缺点。因此，采用单一涂层制备手段获得的涂层往往并不能满足涂层的实际应用要求，这从某种程度上制约了WC涂层更大性能的发挥。
鉴于上述情况，迫切需要研发出一种可解决上述技术问题的金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法。
发明内容
本发明目的旨在解决现有技术中的不足，提出一种通过在WC涂层中添加Co基合金作为粘结相，以弥补碳化钨(WC)本身脆性较大，所获得的涂层易出现断裂、孔隙等缺点，并结合等离子喷涂与激光熔覆两种涂层制备工艺的优点，在保证WC涂层均匀美观的同时，实现了WC涂层与金属基体冶金结合。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法。该方法包括以下步骤：
a、进行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末；
b、对金属基体表面进行预处理；
c、采用等离子喷涂工艺将步骤a中的混合粉末喷涂在步骤b处理后的金属基体表面上，以在金属基体表面形成Co基WC涂层；
d、对步骤c中的Co基WC涂层进行激光重熔处理，以在金属表面获得与基体呈冶金结合、致密的Co/WC涂层。
优选地，所述步骤a具体包括如下步骤：
e、将Co基粉末与WC粉末分别进行球磨造粒处理；
f、将步骤e中球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末机械混合均匀。
进一步优选地，所述步骤e具体包括：分别将两种粉末分别与溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的质量分数比混合，经球磨后干燥，研磨成粉，并采用100#、200#筛逐级筛取，保留粒径为100-200#的Co基粉末与WC粉末。
进一步优选地，所述步骤f具体包括：将步骤e中球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为60.0-80.0 wt.%，WC粉为20.0-40.0 wt.%，并经机械混合均匀后待用。
优选地，所述步骤b中的金属基体包括碳钢、不锈钢或钛合金中的一种。
优选地，所述步骤b具体包括：将金属基体经180-500#SiC砂纸打磨处理，并用丙酮清洗除油，随后对其表面喷砂处理4-8min，直至金属表面失去金属光泽，并再次用丙酮清洗除油。
优选地，所述喷砂处理的喷料采用棕刚玉砂。
优选地，所述步骤c中喷涂工艺的参数为：喷枪与金属基体间距离为90-110mm；等离子喷涂功率为80-90kW；氩气流速为40-48L/min；氢气流速为13-19L/min；送粉速率为25-30g/min。
优选地，所述步骤d中激光重熔处理的参数为：氮气流速为20L/min；激光熔覆功率为70-85W/mm2；熔覆频率为8-10Hz；电流脉宽为6-8μs；电流为220A；扫描速率为3-8mm/s。
本发明的有效效果：采用Co基合金作为粘结基体，克服了WC由于烧结性差，获得的涂层易断裂等缺点；同时结合了等离子喷涂与激光熔覆两种技术的优点，在金属表面获得了一层均匀致密，不易断裂，且与基体呈冶金结合的Co基WC涂层。该涂层显著提高了金属基体的耐磨擦性能，且在酸性环境中能够有效阻挡腐蚀介质的渗透，对金属材料表面性能提高具有很高的实用价值，可应用于金属材料的表面防护和耐磨等领域。
附图说明
图1是本发明的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法流程图。
如图1所示，本发明的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法包括以下步骤：
在步骤101中，进行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末。
在步骤102中，对金属基体表面进行预处理，所述金属基体为碳钢、不锈钢或钛合金中的一种。
在步骤103中，采用等离子喷涂工艺将步骤101中的混合粉末喷涂在步骤102处理后的金属基体表面上，以在金属基体表面预制备一层Co基WC涂层。
在步骤104中，对步骤103中的预制备的Co基WC涂层进行激光重熔处理，以在金属表面获得与基体呈冶金结合、致密的Co/WC涂层。
具体地，上述步骤101具体包括如下步骤：
将Co基粉末与WC粉末分别进行球磨造粒处理。Co基粉末与WC粉末球磨造粒过程为：分别将两种粉末分别与溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的质量分数比混合，经球磨后干燥，研磨成粉，并采用100#、200#筛逐级筛取，保留粒径为100-200#的Co基粉末与WC粉末。
将上述球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末机械混合均匀。Co基粉末与WC粉末混合过程为：将球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为60.0-80.0 wt.%，WC粉为20.0-40.0 wt.%，并经机械混合均匀后待用。
上述步骤102中金属表面预处理工艺具体为：将金属基体经180-500#SiC砂纸打磨处理，并用丙酮清洗除油，随后对其表面喷砂(棕刚玉砂)处理4-8min，直至金属表面失去金属光泽，并再次用丙酮清洗除油。
上述步骤103中采用等离子喷涂工艺在金属基体表面预制备Co基WC涂层中的喷涂参数为：喷枪与金属基体间距离为90-110mm；等离子喷涂功率为80-90kW；氩气流速为40-48L/min；氢气流速为13-19L/min；送粉速率为25-30g/min。
上述步骤104中对预制备Co基WC涂层进行激光重熔处理的工艺参数为：氮气流速为20L/min；激光熔覆功率为70-85W/mm2；熔覆频率为8-10Hz；电流脉宽为6-8μs；电流为220A；扫描速率为3-8mm/s。
另外，为了检测通过上述工艺制备的Co基WC涂层的性能情况，本发明可对制备的Co基WC涂层进行耐蚀性评价以及涂层脆性测试。具体操作可如下：
腐蚀性评价：将本发明制备的Co基WC涂层试样在3.5%NaCl溶液中进行动电位扫描，通过自腐蚀电位的变化评价其耐蚀性。
涂层脆性测试：将本发明制备的Co基WC涂层试样夹在垫上布料的虎钳上，并对试片作90o弯曲，直至试片出现裂纹，再根据出现裂纹时的弯曲次数评价涂层脆性。
经过耐蚀性评价以及涂层脆性测试的Co基WC涂层具有不易断裂和耐腐蚀的优点。
以下通过实施例具体说明该复合涂层的制备过程。
分别将Co基合金粉末与WC粉末与溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的质量分数比混合，经行星球磨机球磨2h后于鼓风干燥箱中干燥24h，随后将其研磨成粉，并采用100#与200#过目筛逐级筛取，保留粒径为100-200#的Co基粉末与WC粉末。
金属基体选用碳钢、钛合金或不锈钢(以下实例均选用316L不锈钢)，并通过线切割将其切割成成10mm×10mm×3mm的片状基材，180-500#SiC砂纸打磨处理，并用丙酮清洗除油，随后对其表面喷砂(棕刚玉砂)处理4-8min，直至金属表面失去金属光泽，并再次用丙酮清洗除油。
实施例一：
本实例将上述造粒后的WC粉末直接采用等离子喷涂技术在预处理金属基体表面制备获得涂层，通过机械手控制喷枪与金属基体间的喷涂距离为95mm，并调节喷涂功率为85kW，控制氩气流速为45L/min，氢气流速为18L/min，送粉率保持为25g/min左右。
本实例所获得的WC涂层厚度约为15μm，动电位极化测试表明该涂层相对于基体，腐蚀电位提升约120 mV，在1-2次的弯曲试验后，涂层出现了明显裂纹，并伴有脱落现象。
实施例二：
本实例将上述造粒后的WC粉末与Co基粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为60.0 wt.%，WC粉为40.0 wt.%，并经机械混合使其均匀。随后通过机械手控制喷枪与金属基体间的喷涂距离为95mm，并调节喷涂功率为80kW，控制氩气流速为45L/min，氢气流速为18L/min，送粉率保持为28g/min左右。
本实例所获得的Co基WC涂层厚度约为18μm，动电位极化测试表明该涂层相对于基体，腐蚀电位提升约160 mV，在4-5次的弯曲试验后，涂层出现了起皮，脱落现象。表明Co基粘结相的加入，有利于降低WC涂层的脆性。
实施例三：
本实例将上述造粒后的WC粉末与Co基粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为60.0 wt.%，WC粉为40.0 wt.%，并经机械混合使其均匀。通过机械手控制喷枪与金属基体间的喷涂距离为95mm，并调节喷涂功率为80kW，控制氩气流速为45L/min，氢气流速为18L/min，送粉率保持为28g/min左右。在基体表面预制备一层厚度约为18μm的涂层。随后对涂层作进一步激光熔覆处理，激光重熔在流速为20L/min的氮气保护下进行，并调节激光熔覆输出功率为89W/mm2；熔覆频率为9Hz；电流脉宽为8μs；电流为220A；扫描速率为8mm/s。
本实例所获得的重熔Co基WC涂层厚度约为20μm，动电位极化测试表明该涂层相对于基体，腐蚀电位提升约280 mV，在10以上次的弯曲试验后，涂层开始出现裂纹，但并没有脱落现象产生。表明经过激光重熔后，Co基WC涂层与基体结合力明显增强。
实施例四：
本实例将上述造粒后的WC粉末与Co基粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为80.0 wt.%，WC粉为20.0 wt.%，并经机械混合使其均匀。通过机械手控制喷枪与金属基体间的喷涂距离为90mm，并调节喷涂功率为80kW，控制氩气流速为42L/min，氢气流速为18L/min，送粉率保持为28g/min左右。在基体表面预制备一层厚度约为18μm的涂层。随后对涂层作进一步激光熔覆处理，激光重熔在流速为20L/min的氮气保护下进行，并调节激光熔覆输出功率为85W/mm2；熔覆频率为9Hz；电流脉宽为8μs；电流为220A；扫描速率为5mm/s。
本实例所获得的重熔Co基WC涂层厚度约为20μm，动电位极化测试表明该涂层相对于基体，腐蚀电位提升约260 mV，在15以上次的弯曲试验后，涂层开始出现裂纹，但并没有脱落现象产生。表明经过激光重熔后，Co基WC涂层与基体结合力明显增强。
综上，本发明提供的在金属表面制备Co基WC涂层的工艺采用Co基合金作为粘结基体，克服了WC由于烧结性差，获得的涂层易断裂等缺点；同时结合了等离子喷涂与激光熔覆两种技术的优点，在金属表面获得了一层均匀致密，不易断裂，且与基体呈冶金结合的Co基WC涂层。通过本发明制备的涂层可显著提高金属基体的耐磨擦性能，且在酸性环境中能够有效阻挡腐蚀介质的渗透，对金属材料表面性能提高具有很高的实用价值。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、进行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末；
b、对金属基体表面进行预处理；
c、采用等离子喷涂工艺将步骤a中的混合粉末喷涂在步骤b处理后的金属基体表面上，以在金属基体表面形成Co基WC涂层；
d、对步骤c中的Co基WC涂层进行激光重熔处理，以在金属表面获得与基体呈冶金结合、致密的Co/WC涂层。
2.根据权利要求1所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤a具体包括如下步骤：
e、将Co基粉末与WC粉末分别进行球磨造粒处理；
f、将步骤e中球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末机械混合均匀。
3.根据权利要求2所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤e具体包括：分别将两种粉末分别与溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的质量分数比混合，经球磨后干燥，研磨成粉，并采用100#、200#筛逐级筛取，保留粒径为100-200#的Co基粉末与WC粉末。
4.根据权利要求2所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤f具体包括：将步骤e中球磨造粒后的Co基粉末与WC粉末按质量分数百分比混合，其中Co基粉末为60.0-80.0 wt.%，WC粉为20.0-40.0 wt.%，并经机械混合均匀后待用。
5.根据权利要求1所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤b中的金属基体包括碳钢、不锈钢或钛合金中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：将金属基体经180-500#SiC砂纸打磨处理，并用丙酮清洗除油，随后对其表面喷砂处理4-8min，直至金属表面失去金属光泽，并再次用丙酮清洗除油。
7.根据权利要求6所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述喷砂处理的喷料采用棕刚玉砂。
8.根据权利要求1所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤c中喷涂工艺的参数为：喷枪与金属基体间距离为90-110mm；等离子喷涂功率为80-90kW；氩气流速为40-48L/min；氢气流速为13-19L/min；送粉速率为25-30g/min。
9.根据权利要求1所述的一种金属表面制备Co基WC涂层的工艺方法，其特征在于，所述步骤d中激光重熔处理的参数为：氮气流速为20L/min；激光熔覆功率为70-85W/mm2；熔覆频率为8-10Hz；电流脉宽为6-8μs；电流为220A；扫描速率为3-8mm/s。
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