本發(fā)明涉及一種零件的表面處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有高強(qiáng)度高韌性的微/納耦合涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

據(jù)統(tǒng)計(jì)，能源的1/3到1/2都是消耗于摩擦和磨損，而我國(guó)約有80%的機(jī)器零部件是因?yàn)槟p而失效，每年因磨擦損耗造成的損失也在1000億元人民幣以上。熱噴涂涂層被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備關(guān)鍵零部件的表面強(qiáng)化以及尺寸和精度的修復(fù)等領(lǐng)域。受熱噴涂工藝本身特點(diǎn)的影響，涂層內(nèi)部裂紋較多、結(jié)合力弱、致密性低等缺點(diǎn)嚴(yán)重影響涂層的使用性能，因此，如何進(jìn)一步提高熱噴涂涂層的耐磨損性能仍然是目前最受關(guān)注的挑戰(zhàn)之一。

扁平粒子的結(jié)合率和結(jié)合強(qiáng)度是影響熱噴涂涂層耐磨性能的最重要指標(biāo)。對(duì)于熱噴涂涂層而言，一般扁平粒子的結(jié)合率在30％左右，在磨損工況下，扁平粒子間的弱結(jié)合導(dǎo)致了涂層抗磨損能力的顯著下降，扁平粒子界面由于較低的結(jié)合率和其它缺陷（如裂紋和微氣孔）的存在，在外應(yīng)力的作用下，是涂層裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的主要部位，而單個(gè)扁平粒子的脫落是引起涂層磨損失效的最直接原因。所以，對(duì)熱噴涂涂層進(jìn)行強(qiáng)化的一個(gè)重要思路是改善扁平粒子界面結(jié)合狀態(tài)。

熱噴涂納米結(jié)構(gòu)涂層具有更好的抗磨損、耐腐蝕以及其他優(yōu)異性能，所以將納米材料與熱噴涂技術(shù)結(jié)合而形成的納米表面涂層與表面改性技術(shù)是納米材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是熱噴涂重點(diǎn)發(fā)展的研究方向之一。已有的研究結(jié)果證明利用傳統(tǒng)的熱噴涂工藝制備納米顆粒強(qiáng)化的金屬基復(fù)合納米涂層是一種簡(jiǎn)便而有效的提高涂層耐磨損性能的方法，然而這方面的工作目前主要還是專(zhuān)注于在單個(gè)噴涂粉末顆粒內(nèi)部添加納米強(qiáng)化顆粒，而從扁平粒子界面處著手利用納米顆粒進(jìn)行強(qiáng)化的研究較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種具有高強(qiáng)度高韌性的耦合涂層及其制備方法，利用微米和納米粉末，采用濕法球磨和噴霧造粒法制備耦合粉體，通過(guò)調(diào)整熱噴涂工藝，在零部件表面制備出扁平粒子界面處均勻分布納米顆粒的微/納耦合涂層，實(shí)現(xiàn)熱噴涂涂層具有高強(qiáng)度和高韌性的目標(biāo)，具有極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為：

一種具有高強(qiáng)度高韌性的耦合涂層，以微米級(jí)粉末和納米粉末為原料，采用濕法球磨和噴霧造粒法，制備出耦合粉體，通過(guò)熱噴涂方法制備出扁平粒子界面處均勻分布納米顆粒的微/納耦合涂層；所述的微米粉末是金屬或陶瓷或其復(fù)合材料，粒徑為10-100μm；納米粉末是金屬或陶瓷，粒徑為10-150nm；微/納耦合粉體中，納米粉末所占比例為1-10wt%，余量為微米粉末；微/納耦合涂層的厚度范圍為50-350μm。

一種制備所述涂層的方法包括如下步驟：

步驟1，將微米和納米粉末按照所述比例混合后進(jìn)行濕法球磨，對(duì)球磨后漿料進(jìn)行噴霧造粒，過(guò)篩后制備出耦合粉體；

步驟2，對(duì)基體進(jìn)行清洗、除油除銹和表面粗化；

步驟3，利用步驟1制得的粉體在經(jīng)步驟2處理的基體表面采用熱噴涂方法制備微/納耦合涂層。

所述的步驟1中，球磨工藝參數(shù)如下：以去離子水為溶劑，加入1-3wt%的PVP作為粘結(jié)劑，同時(shí)加入3-8wt%的耦合粉末配置漿料，按照球料比10-50:1加入磨球，球磨轉(zhuǎn)速為50-250r/min，球磨時(shí)間為3-8h；球磨完成后1小時(shí)內(nèi)進(jìn)行噴霧造粒，噴霧造粒的工藝參數(shù)如下：霧化氣體為壓縮空氣，壓力為0.2-0.5MPa，漿料輸送速率為5-30ml/min，干燥溫度為150-350℃，取150-500目篩網(wǎng)之間的粉末為熱噴涂原料。

所述的步驟2中，表面粗化方法為噴砂或車(chē)螺紋或滾花或電拉毛。

所述熱噴涂方法為超音速火焰噴涂或爆炸噴涂或等離子噴涂和火焰噴涂。

所述的步驟3中，采用超音速火焰噴涂方法，其噴涂參數(shù)為：助燃?xì)?、燃?xì)夂洼o助氣的壓力分別為16-20bar、3-6bar和5-8bar，流量分別為300-800slpm、50-70slpm和300-500slpm，送粉氣壓力為3-9bar，流量為10-20slpm，送粉速率為40-150g/min，噴涂距離為150-300mm。

利用掃描電子顯微鏡、熒光金相顯微鏡、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和顯微硬度計(jì)對(duì)所得到的涂層樣品具體性能進(jìn)行測(cè)試。

（1）涂層顯微硬度測(cè)試方法：

將涂層樣品的橫截面鑲嵌后拋光，采用數(shù)顯硬度計(jì)測(cè)量涂層橫截面的顯微硬度，所加載荷為300g，保壓時(shí)間為10s，硬度計(jì)算公式為：

式中：P——所加載荷；

d——壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度；

α——正方形四棱角錐體壓頭兩相對(duì)面夾角（規(guī)定為136°）；

每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，最后的硬度取其平均值。

（2）涂層摩擦性能測(cè)試方法：

將制備的涂層依次使用不同粒度的水砂紙進(jìn)行表面研磨，并用金剛石研磨膏拋光至表面粗糙度Ra=0.5μm。磨損實(shí)驗(yàn)在往復(fù)式摩擦磨損機(jī)上進(jìn)行，對(duì)偶球是φ3mm的氮化硅（Si₃N₄）球，測(cè)試中全振幅為5mm，往復(fù)頻率5HZ，總滑動(dòng)距離100m，測(cè)試時(shí)間33min，載荷5N，無(wú)潤(rùn)滑。

本發(fā)明采用濕法球磨和噴霧造粒法制備出微/納耦合粉體，并通過(guò)熱噴涂方法制備出微/納耦合涂層，與目前常用涂層相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該方法改善了熱噴涂涂層中扁平粒子界面處的結(jié)合狀態(tài)（提高結(jié)合率），并優(yōu)化了界面處的應(yīng)力狀態(tài)，顯著提高涂層的強(qiáng)度和韌性，延長(zhǎng)其使用壽命。

（2）該方法解決了熱噴涂過(guò)程中納米粉末存在的輸送困難和易燒蝕等難點(diǎn)問(wèn)題，所用的設(shè)備和工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于操作，生產(chǎn)效率較高，且不受尺寸和施工場(chǎng)所的限制，適用范圍廣。

本發(fā)明中具有高強(qiáng)度高韌性的微/納耦合涂層制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、綜合成本較低、生產(chǎn)效率高和適于產(chǎn)業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)，可替代目前的常規(guī)熱噴涂工藝。同時(shí)該技術(shù)還是符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景與經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1(a)是本發(fā)明實(shí)施例1中微米級(jí)的原始WC-Co粉末；

圖1(b)是本發(fā)明實(shí)施例1中納米級(jí)的WC粉末；

圖1(c)是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的微/納耦合粉末；

圖1(d)是本發(fā)明實(shí)施例1中微/納耦合粉末的局部放大圖，可見(jiàn)納米粉末均勻分布于微米粉末表面；

圖2(a)是本發(fā)明實(shí)施例1中制備的微/納耦合涂層截面形貌；

圖2(b)是圖2(a)的局部放大圖，可見(jiàn)納米粒子均勻分布于扁平粒子的界面處；

圖3是本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2中所制備涂層的硬度和磨損率與常規(guī)涂層的比較。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明絕非限于實(shí)施例。

實(shí)施例1：

本實(shí)施例中，微米粉末選用市售的WC-Co粉末（粒徑約30μm），納米粉末選用市售的WC粉末（粒徑約80nm），微/納耦合粉體中納米粉末所占比例為5wt%，涂層厚度約為200μm，該涂層的具體制備方法如下：

1、以去離子水為溶劑，加入2wt%的PVP作為粘結(jié)劑，同時(shí)加入5wt%的耦合粉末配置漿料，按照球料比20:1加入磨球，球磨轉(zhuǎn)速為150r/min，球磨時(shí)間為4h，球磨完成后1小時(shí)內(nèi)進(jìn)行噴霧造粒，造粒時(shí)霧化氣體為壓縮空氣，壓力為0.3MPa，漿料輸送速率為15ml/min，干燥溫度為200℃，取150-500目篩網(wǎng)之間的粉末為熱噴涂原料；

2、噴涂前，將基體進(jìn)行清洗、除油除銹后采用20目合金砂進(jìn)行表面噴砂預(yù)處理，使其粗糙度達(dá)到噴涂要求；

3、采用超音速火焰噴涂方法，控制超音速火焰噴涂槍的噴涂參數(shù)為：助燃?xì)釵₂、燃?xì)獗楹蛪嚎s空氣的壓力分別為10bar、6bar、7bar，流量分別為240slpm、70slpm、380slpm，送粉氣N₂流量為15slpm，粉末輸送速率為40g/min，噴涂距離為250mm，噴槍掃描7遍后制得涂層。

對(duì)上述制備得到的涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1355.7HV（76.1HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為5.14×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例2：

本實(shí)施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，耦合粉體中納米粉末所占比例為3wt%。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1275.4HV（74.7HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為5.52×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例3：

本實(shí)施例中，耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，所用粉末分別是微米Al₂O₃（粒徑約50μm）和納米Al₂O₃（粒徑約30nm）粉末。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1075.4HV（70.7HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為6.52×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例4：

本實(shí)施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，所用粉末分別是微米Al₂O₃（粒徑約50μm）和納米Al₂O₃（粒徑約30nm）粉末，并且濕法球磨過(guò)程中加入3wt%的PVP作為粘結(jié)劑，轉(zhuǎn)速為100r/min，球磨時(shí)間為2h，造粒時(shí)用于霧化的壓縮空氣壓力為0.2MPa，干燥溫度為300℃。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1025.4HV（69.5HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為6.91×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例5：

本實(shí)施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，所用粉末分別是微米Cr₂O₃（粒徑約40μm）和納米Cr₂O₃（粒徑約20nm）粉末。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1175.4HV（72.8HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為5.82×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例6：

本實(shí)施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，所用粉末分別是微米Cr₂O₃（粒徑約40μm）和納米Cr₂O₃（粒徑約20nm）粉末，并且濕法球磨的球料比30:1，轉(zhuǎn)速為120r/min，球磨時(shí)間為3h，造粒時(shí)用于霧化的壓縮空氣壓力為0.4MPa，干燥溫度為350℃，取200目~400目篩網(wǎng)之間的粉末作為熱噴涂原料。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為1135.4HV（72.1HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為6.01×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

實(shí)施例7：

本實(shí)施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不同的是，所用粉末分別是微米Cr₂O₃（粒徑約80μm）和納米Cr₂O₃（粒徑約60nm）粉末，并且采用等離子噴涂方法，控制噴涂參數(shù)為：主氣Ar和輔氣H₂的壓力分別為4bar、和2bar，流量分別為40slpm和3slpm；送粉氣壓力為0.5bar，流量為3slpm，送粉速率為40g/min；噴涂過(guò)程中電流為600A，電壓為60V，噴涂距離為110mm。

對(duì)上述制備得到的微/納耦合涂層進(jìn)行如下性能測(cè)試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測(cè)試方法測(cè)得涂層的平均硬度為875.3HV（65.3HRC）。

2. 涂層磨損率：利用涂層摩擦磨損測(cè)試方法，測(cè)得涂層磨損率為7.12×10^-7mm³/N·m，結(jié)果表明涂層的耐磨性能優(yōu)于常規(guī)涂層。

以上所述的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)所做的任何修改、補(bǔ)充和等同替換等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。