本發明涉及一種金屬表面涂層熔覆方法，尤其涉及一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，屬于金屬表面熱處理技術領域。
背景技術：
隨著經濟的不斷發展，人類社會的不斷進步，金屬材料被廣泛的運用到人們的日常生活中，這就使得金屬材料在人們的日常生活中起到不可或缺的作用。
許多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蝕性、抗氧化、耐熱性都取決于金屬材料表面的物理和化學性質，而人們通常采用表面技術來提高金屬材料的表面性能，如：表面耐磨、耐腐、耐熱等。傳統的表面處理技術，如各種噴涂層、溶層、鍍層等，由于較差的結合力或受平衡溶解度小及固態擴散性差的限制，應用效果較差。熔覆陶瓷涂層較之傳統涂層方法能更有效地改善材料和機械零部件的表面性能，金屬表面熔覆陶瓷技術是采用某一熱源在金屬材料表面熔覆一層硬度、熱穩定性高，與基體結合牢固的陶瓷涂層，它將金屬的良好強韌性和陶瓷相的高硬度結合了起來。熔覆陶瓷涂層較之傳統涂層方法能更有效地改善材料的表面性能，然而由于熔覆層和基體金屬的熱膨脹系數及彈性模量不相匹配，且基體與界面存在明顯界面，使用中經常發生涂層斷裂或剝落損壞現象，最基本的方法就是消除界面，如引入功能梯度設計思想，使熔覆涂層沿厚度方向逐漸改變涂層成分與結構要素，使涂層的性能呈連續的梯度變化，這是國際上熔覆涂層的最新研究動向。梯度涂層工藝有許多，如化學氣相沉積、自蔓延法、燒結法、激光熔覆法等，但由于存在設備昂貴、工藝復雜、成本高、反應粉末受限等缺點，因此均未獲得大面積推廣應用。
電弧等離子束、激光束、電子束是三大高溫熱源，具有廣泛的工業應用領域。由于傳統的湍流電弧等離子體射流短（幾厘米），并不成長束，加工較粗糙，不能算一種理想的高溫束狀熱源；激光束目前在焊接、切割、表面處理等工業領域獲得極大的應用，加工質量好，但設備成本高，熱效率低（20﹪以下），單體功率小（10kw以下），所以僅能焊接和切割薄板，表面熱處理深度在0.3mm以下；電子束也是一種較好的高溫熱源，而且功率可以做大，但是需在真空條件下工作，其設備和工藝成本非常昂貴，不適合普通加工；層流電弧等離子體束設備單位成本低，熱效率高（轉移弧90﹪以上，非轉移弧65﹪以上），單體功率可達1000kw以上，可在大氣壓下穩定工作，非常適合金屬表面涂層熔覆處理，表面處理深度達3mm，質量不亞于激光，但加工范圍、環境適應性和處理深度遠超激光；另外大功率及大氣壓環境工作的優點，可在納米材料生產、新材料合成、冶煉、煤化工、垃圾發電、軍工、航空航天等需要大功率的領域應用。
技術實現要素：
本發明旨在解決現有技術問題，而提出了一種金屬表面梯度涂層熔覆方法。本發明在金屬表面梯度涂層熔覆過程中，通過對涂層熔覆設備的特別設定，采用層流等離子發生器和熔覆噴槍，以層流等離子提供熱源，加熱速度快，便于控制基體溫度，不致太高，避免引起退火變形，同時，由于層流等離子為連續工作，造成機體冷卻相對較慢，形成的過渡區域更深而對于硬面材料熔覆來說，應力會釋放更好。
為了實現上述技術目的，提出如下的技術方案：
一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，其特征在于，包括如下步驟：
A. 基體表面預處理
對將要進行涂層熔覆的基體表面除銹、去污和去疲勞層處理；
B．涂層材料設定
涂層材料包括氧化鋯、二氧化硅、氮化鋁、氧化亞銅、鐵粉和鋁粉中一種或任意兩種以上的混合，具體配比可根據不同基體，按實際要求設定；
C．涂層熔覆處理
采用層流等離子涂層熔覆設備，層流等離子涂層熔覆設備在氣體介質的保護下，層流等離子提供熱源，軸向中心送粉，對涂層材料與基體表面進行涂層熔覆處理，經過至少二次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層；
D．涂層檢驗
將C步驟中形成的梯度涂層，進行檢驗和測試。
進一步的，所述層流等離子涂層熔覆設備沉積效率為60%～90%。
進一步的，所述層流等離子涂層熔覆設備送粉量為30g/min～90 g/min。
進一步的，所述層流等離子涂層熔覆設備涂層熔覆速度為29～31kg/h。
進一步的，所述涂層熔覆的稀釋率≤1%。
進一步的，所述梯度涂層孔隙率為0.5%～5%。
進一步的，所述層流等離子溫度為500～20000K。
進一步的，所述層流等離子涂層熔覆設備包括層流等離子發生器和熔覆噴槍，層流等離子發生器與熔覆噴槍之間形成電弧通道，在電弧通道外設有冷卻循環裝置。
進一步的，所述層流等離子發生器功率為100～150 KW。
進一步的，所述熔覆噴槍主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，使得單個陰極的負載電流大大降低，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧。
進一步的，所述氣體介質包括氬氣、氮氣、氦氣、氫氣和氨氣中的一種或任意兩種以上的混合。
采用本技術方案，帶來的有益技術效果為：
（1）在本發明中，采用的金屬表面梯度涂層熔覆方法，技術門檻低，容易實行，可靠性好，維護簡單，耗電少，通用性好，生產成本低，便于規模化生產，效益顯著，對環境要求低，對材料適應廣泛；
（2）在本發明中，經過至少二次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層，而避免超硬涂層中的裂紋或剝落損壞，使得涂層適應范圍更廣；
（3）在本發明中，在金屬表面梯度涂層熔覆過程中，通過對涂層熔覆設備的特別設定，采用層流等離子發生器和熔覆噴槍，以層流等離子提供熱源，加熱速度快，便于控制基體溫度，不致太高，避免引起退火變形，同時，由于層流等離子為連續工作，造成機體冷卻相對較慢，形成的過渡區域更深而對于硬面材料熔覆來說，應力會釋放更好；
（4）在本發明中，層流等離子熔覆設備所采用的等離子束，是一種電離弧，比弧焊機熱量更集中，所以加熱速度更快，為了獲得更集中的離子束，一般采用高壓縮比孔徑，小電流，以便控制基體溫度不致太高，避免引起退火變形，以激光器加熱速度無法比擬；
（5）在本發明中，層流等離子熔覆，不易產生裂紋、氣孔。以層流等離子為熱源進行熔覆，由于層流等離子熱量集中，離子弧穩定性好，沒有電極熔耗，輸出熱量均勻，便于控制，這樣使得熔鑄區熱量分布均勻，材料熔合充分均勻，排氣浮渣都充分，收縮應力分布均勻。由于層流等離子設備控制精度高，對熔覆區和過渡區的控制方便，且均勻度好，應力分配更容易控制合理。用氬氣等氣體介質保護不需要各種添加劑，也不存在排氫，氧化等問題，所以等離子熔覆更適合大面積，大厚度，高質量的硬面熔鑄（如高錳·高鉻陶瓷材料等），適合于制造耐磨板、閥門、軋輥等；
（6）在本發明中，首先，基體表面預處理簡單，只需除銹去污去疲勞層即可；其次，采用氣體介質送粉，氣體介質選擇種類多，且送粉精度要求低，可以有一定的傾斜度，這樣就允許手工操作，對于金屬修復比較適用；第三，層流等離子穩定性好，涂層的形成易于控制，敷材與基體融合充分，區域過渡較好；第四，加熱和冷卻速度低于激光，熔融狀態維持時間長，有利于金相組織均勻形成，排氣浮渣較好，在粉末噴出過程中就已經加熱，且有氬氣等氣體介質的保護，所以熔覆涂層均勻度更好，氣孔夾渣等缺陷更少；第五，層流等離子的加熱方式對涂層材料限制少，涂層材料選擇廣泛，且對碳化物及氧化物等熔覆更容易。
具體實施方式
下面通過對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
實施例1
一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，包括如下步驟：
A. 基體表面預處理
對將要進行涂層熔覆的基體表面除銹、去污和去疲勞層處理；
B．涂層材料設定
涂層材料包括氧化鋯、二氧化硅、氮化鋁、氧化亞銅、鐵粉和鋁粉中一種或任意兩種以上的混合，具體配比可根據不同基體，按實際要求設定；
C．涂層熔覆處理
采用層流等離子涂層熔覆設備，層流等離子涂層熔覆設備在氣體介質的保護下，層流等離子提供熱源，軸向中心送粉，對涂層材料與基體表面進行涂層熔覆處理，經過二次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層；
D．涂層檢驗
將C步驟中形成的梯度涂層，進行檢驗和測試。
所述層流等離子涂層熔覆設備沉積效率為60%。
所述層流等離子涂層熔覆設備送粉量為30g/min。
所述層流等離子涂層熔覆設備涂層熔覆速度為29。
所述涂層熔覆的稀釋率1%。
所述梯度涂層孔隙率為5%。
所述層流等離子溫度為500K。
所述層流等離子涂層熔覆設備包括層流等離子發生器和熔覆噴槍，層流等離子發生器與熔覆噴槍之間形成電弧通道，在電弧通道外設有冷卻循環裝置。
所述層流等離子發生器功率為100。
所述熔覆噴槍主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，使得單個陰極的負載電流大大降低，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧。
所述氣體介質為氬氣。
實施例2
一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，包括如下步驟：
A. 基體表面預處理
對將要進行涂層熔覆的基體表面除銹、去污和去疲勞層處理；
B．涂層材料設定
涂層材料包括氧化鋯、二氧化硅、氮化鋁、氧化亞銅、鐵粉和鋁粉中一種或任意兩種以上的混合，具體配比可根據不同基體，按實際要求設定；
C．涂層熔覆處理
采用層流等離子涂層熔覆設備，層流等離子涂層熔覆設備在氣體介質的保護下，層流等離子提供熱源，軸向中心送粉，對涂層材料與基體表面進行涂層熔覆處理，經過至三次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層；
D．涂層檢驗
將C步驟中形成的梯度涂層，進行檢驗和測試。
所述層流等離子涂層熔覆設備沉積效率為90%。
所述層流等離子涂層熔覆設備送粉量為90 g/min。
所述層流等離子涂層熔覆設備涂層熔覆速度為31kg/h。
所述涂層熔覆的稀釋率0.5%。
所述梯度涂層孔隙率為0.5%。
所述層流等離子溫度為18000K。
所述層流等離子涂層熔覆設備包括層流等離子發生器和熔覆噴槍，層流等離子發生器與熔覆噴槍之間形成電弧通道，在電弧通道外設有冷卻循環裝置。
所述層流等離子發生器功率為150 KW。
所述熔覆噴槍主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，使得單個陰極的負載電流大大降低，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧。
所述氣體介質為氬氣、氮氣和氫氣混合。
實施例3
一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，包括如下步驟：
A. 基體表面預處理
對將要進行涂層熔覆的基體表面除銹、去污和去疲勞層處理；
B．涂層材料設定
涂層材料包括氧化鋯、二氧化硅、氮化鋁、氧化亞銅、鐵粉和鋁粉中一種或任意兩種以上的混合，具體配比可根據不同基體，按實際要求設定；
C．涂層熔覆處理
采用層流等離子涂層熔覆設備，層流等離子涂層熔覆設備在氣體介質的保護下，層流等離子提供熱源，軸向中心送粉，對涂層材料與基體表面進行涂層熔覆處理，經過至五次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層；
D．涂層檢驗
將C步驟中形成的梯度涂層，進行檢驗和測試。
所述層流等離子涂層熔覆設備沉積效率為75%。
所述層流等離子涂層熔覆設備送粉量為60 g/min。
所述層流等離子涂層熔覆設備涂層熔覆速度為30kg/h。
所述涂層熔覆的稀釋率0.75%。
所述梯度涂層孔隙率為3%。
所述層流等離子溫度為150000K。
所述層流等離子涂層熔覆設備包括層流等離子發生器和熔覆噴槍，層流等離子發生器與熔覆噴槍之間形成電弧通道，在電弧通道外設有冷卻循環裝置。
所述層流等離子發生器功率為120KW。
所述熔覆噴槍主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，使得單個陰極的負載電流大大降低，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧。
所述氣體介質為氦氣和氨氣的混合。
實施例4
在合金鋼表面進行防腐處理，利用金屬表面梯度涂層熔覆方法。
一種金屬表面梯度涂層熔覆方法，包括如下步驟：
A. 基體表面預處理
對將要進行涂層熔覆的合金鋼基體表面除銹、去污和去疲勞層處理；
B．涂層材料設定
涂層材料包括氮化鋁、氧化亞銅和鐵粉的混合，其中氮化鋁35%、氧化亞銅50%及鐵粉14%；
C．涂層熔覆處理
采用層流等離子涂層熔覆設備，層流等離子涂層熔覆設備在氣體介質的保護下，層流等離子提供熱源，軸向中心送粉，對涂層材料與基體表面進行涂層熔覆處理，經過三次熔覆處理后，形成具有梯度的涂層；
D．涂層檢驗
將C步驟中形成的梯度涂層，進行檢驗和測試。
所述層流等離子涂層熔覆設備沉積效率為70%。
所述層流等離子涂層熔覆設備送粉量為50 g/min。
所述層流等離子涂層熔覆設備涂層熔覆速度為30kg/h。
所述涂層熔覆的稀釋率0.6%。
所述梯度涂層孔隙率為2.3%。
所述層流等離子溫度為10000K。
所述層流等離子涂層熔覆設備包括層流等離子發生器和熔覆噴槍，層流等離子發生器與熔覆噴槍之間形成電弧通道，在電弧通道外設有冷卻循環裝置。
所述層流等離子發生器功率為100 KW。
所述熔覆噴槍主要采用中軸圓柱陽極結構，沿陽極柱周圍環形均勻布置三個或三個以上的陰極，使得單個陰極的負載電流大大降低，陽極均分為多個不同部位與對應陰極形成連接電弧，可形成高弧壓小電流層流長束等離子弧。
所述氣體介質包括氬氣和氫氣的混合。