用于改善基底表面硬度及耐磨性的Ni?WC復合涂層及其制備的制作方法

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本發明屬于耐磨涂層技術領域，涉及一種用于改善基底表面硬度及耐磨性的ni-wc復合涂層及其制備。

背景技術：

ni基-wc復合涂層具有較高的硬度、較強的韌性和良好的耐磨性能，目前已被廣泛應用于工件的修復和表面強化。ni基-wc復合涂層的制備方法主要有熱噴涂法、電子束物理氣相沉積法以及激光熔覆法等。從目前的研究現狀來看，熱噴涂法得到的涂層具有明顯的層狀結構，容易在涂層中產生氣孔，且涂層與基體之間的結合方式為機械結合。而機械結合大多是以顆粒的機械聯鎖方式而形成，在熱噴涂之前，材料基體表面都要經過粗化處理，噴涂過程中熔融粒子撞擊并鋪展在粗化的基材表面上，在冷卻凝固收縮時粒子咬合凹凸材料表面凸點形成機械結合。然而，熱噴涂技術不足之處在于涂層與基體結合強度不夠，難以滿足重載條件下的服役要求。而電子束物理氣相沉積法需要在真空的環境下工作，工藝流程復雜，沉積效率較低且涂層厚度難以得到很好地控制。

激光熔覆法是伴隨著激光而發展起來的新型表面工程技術，經過十幾年的發展，激光熔覆技術在材料表面強化方面取得了豐富的成果。該技術中熔覆材料采用送絲或送粉(或預置)的形式，在高能量激光束的作用下熔覆材料與基體表面材料熔化，經歷快速冷卻和凝固的過程形成激光熔覆涂層，熔覆層與基體形成良好的冶金結合。在下述文獻中：(1)agarcia,mrfernandez,jmcuetos,rgonzalez,aortiz,mcadenas,studyoftheslidingwearandfrictionbehaviorofwcplusnicrbsilasercladdingcoatingsasafunctionofactualconcentrationofwcreinforcementparticlesinball-on-disktest,tribologyletters,2016,64(3):41-50；(2)ddeschuyteneer,fpetit,mgonon,fcambier,processingandcharacterizationoflasercladnicrbsi/wccompositecoatings-influenceofmicrostructureonhardnessandwear,surfaceandcoatingstechnology,2015,283:162-171；(3)shengfengzhou,xiaoguangdai,xiaoyanzeng,effectsofprocessingparametersonstructureofni-basedwccompositecoatingsduringlaserinductionhybridrapidcladding,appliedsurfacescience,2009,255(30):8494-8500。已經報道采用直接激光熔覆技術制備出的ni基-wc復合涂層，其致密性較好，涂層沒有明顯的裂紋和氣孔等缺陷，但從報道的結果來看，所制得涂層的硬度、耐磨性以及硬質相分布的均勻性仍需進一步提高。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種表面連續、光滑，表面缺陷較少，致密性好，內部無氣孔和縮松等缺陷的用于改善基底表面硬度及耐磨性的ni-wc復合涂層。

本發明的另一個目的就是提供上述用于改善基底表面硬度及耐磨性的ni-wc復合涂層的制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

用于改善基底表面硬度及耐磨性的ni-wc復合涂層，該復合涂層布設在金屬基底表面上，所述的復合涂層是由ni45合金粉末與wc粉末復合而成，所述的wc粉末的質量分數為10-40％，其余為ni45合金粉末。

所述的復合涂層的厚度為0.8-1mm。

所述的金屬基底包括鈦合金基底、鋁合金基底或不銹鋼基底中的一種。

用于改善基底表面硬度及耐磨性的ni-wc復合涂層的制備方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟1)：基底預處理：將金屬基底加工成板狀試樣塊，對板狀試樣塊進行打磨，去除毛刺，并用砂紙打磨表面，去除板狀試樣塊表面的氧化膜，后經超聲清洗，烘干；

步驟2)：預置涂層：將ni45合金粉末與wc粉末加入球磨機中，混合均勻，烘干，再與粘結劑混合，刷涂在步驟1)經烘干后的板狀試樣塊表面上，制得表面負載有涂層的板狀試樣塊；

步驟3)：高頻微振輔助激光熔覆：將表面負載有涂層的板狀試樣塊裝夾固定于高頻微振工作臺上，通過調節測量電流和振動加速度的值，選擇合適的振動頻率，通入惰性氣體，以激光熔覆頭為能量源，采用正離焦的方式，垂直作用于涂層表面，進行熔覆處理，即可。

步驟1)中所述的金屬基底通過電火花線切割機加工成30mm×20mm×6mm的板狀試樣塊。

步驟2)中所述的ni45合金粉末的平均粒度為20-50μm，所述的wc粉末的平均粒度為30-50μm。

步驟2)中所述的粘結劑為乙酸纖維素-二丙酮醇溶劑，每200ml二丙酮醇需要混合8.5g乙酸纖維素，二者通過水浴加熱的方式均勻混合，水浴加熱溫度為90℃，加熱時間為10min。ni45合金粉末與wc粉末按照前述規定的質量分數混合，每10g混合粉末所需粘結劑為3ml。

步驟3)中所述的惰性氣體的輸送速率為15-20l/min，壓力控制為0.05-0.15mpa。

步驟3)中所述的激光熔覆頭的離焦量為300-350mm，激光功率為1000-2000w。

所述的激光熔覆頭的掃描速度為300-600mm/min。

步驟3)中所述的高頻微振工作臺的振動頻率為300-1000hz。

在實際制備過程中，將激光熔覆頭通過機器人固定在其手臂上，通過調節機器人的運動實現熔覆頭的移動，完成熔覆工作。

為了表征本發明的ni基-wc復合涂層的硬度以及與耐磨性，采用顯微硬度計和多功能摩擦磨損試驗機，通過涂層顯微硬度測試方法表征該ni基-wc復合涂層的硬度，通過涂層摩擦磨損測試方法表征該ni基-wc復合涂層的耐磨性。

涂層顯微硬度測試方法為：將ni基-wc復合涂層樣品的橫截面鑲嵌后拋光，采用hx-1000顯微維氏硬度計測量涂層橫截面的顯微硬度，所加載荷為300g，加載時間為15s。各熔覆試樣表面均勻選取5個點(點與點之間保持一定距離)，測試硬度值后取平均值。它的工作原理是通過加載一定值的負載將金剛石壓頭壓入被檢測材料的表面，加載一定的時間，卸載后殘留在試樣表面的近似菱形的印記，測量得到壓痕的對角線的長度得到壓痕面積，然后通過計算加載載荷和壓痕面積的比值即可得出該材料的顯微硬度。顯微硬度測試的壓頭采用對面夾角為136°的正四面棱錐金剛石壓頭，維氏硬度值計算公式如下所示：

式中：f——載荷/kgf；

s——壓痕表面積；

α——壓頭相對面夾角＝136°；

d——平均壓痕對角線長度；

hv——維氏硬度值。

本發明ni基-wc復合涂層的耐磨性是通過多功能摩擦磨損試驗機測量的，試驗條件為：載荷20n，轉速100r/min，磨痕半徑3mm，時間30min，運動模式為球盤式，對磨頭材質為鋼。測試前后，利用分析天平稱量計算磨損量。

與現有技術相比，本發明具有以下特點：

1)以wc作為強化相，將涂層的硬度較基底提高了2倍多，顯著改善涂層的耐磨性；

2)將高頻微振和直接激光熔覆方法結合在一起，在高頻微振的作用下，涂層更易成型，激光熔覆工藝制備的ni基-wc復合涂層的表面連續、光滑，表面缺陷較少，涂層與金屬基底間結合較好，且涂層內部無氣孔和縮松等缺陷，組織致密性好，

3)制備方法簡單，可控性好，制得的ni-wc復合涂層的顯微硬度和耐磨性能都得到了顯著提高，有利于復合涂層適應更加復雜和惡劣的工作環境，具有很好的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明制備方法示意圖；

圖2是對比實施例、實施例1、實施例2、實施例3、實施例4中制備得到的ni-wc復合涂層的顯微硬度比較圖；

圖3是對比實施例、實施例1、實施例2、實施例3、實施例4中制備得到的ni-wc復合涂層的耐磨性比較圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

對比實施例：

為了與下述實施例1-9進行對比，對比實施例中基底表面為鎳基涂層，不加入wc增強相，具體制備方法如下：

將基材加工成30mm×20mm×6mm的板狀試樣塊，再對試樣進行打磨去除毛刺以及表面的氧化膜，用超聲波丙酮清洗，隨后烘干。用粘接劑將干燥的ni45合金粉末均勻刷涂在試樣表面，刷涂厚度為0.8mm。預置成功后，在高頻微振作用下對涂層進行激光熔覆。

利用涂層顯微硬度測試方法測得上述tio2涂層的顯微硬度約為562.6hv，利用涂層的耐磨性測試方法測得上述ni-wc復合涂層的磨損量約為2.62mg。

實施例1：

本實施例中，wc的質量分數為10％，該復合涂層的具體制備方法如下：

在平均粒度為20um-50um的ni45合金粉末中混入質量分數為10％的平均粒度為30um-50um的wc粉末，經球磨機均勻混合后，烘干。將制備好的涂層原料粉末用粘結劑刷涂在已經被去除氧化膜的基底表面，刷涂厚度為0.8mm，涂層預置好之后裝夾固定于高頻微振工作臺上。

如圖1所示，將工作臺的振動頻率調節到300hz，采用光纖激光器作為能量源，功率為1000w的激光垂直作用于涂層表面，離焦量為300mm，熔覆頭在機器人的控制下作直線運動，掃描速度為600mm/min，保護氣體輸送方向與涂層表面平行，輸送速率為15l/min。

利用涂層顯微硬度測試方法測得上述ni-wc復合涂層的顯微硬度約為922.4hv，利用涂層的耐磨性測試方法測得上述ni-wc復合涂層的磨損量約為2.03mg。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，所不同的是本實施例中wc的質量分數為20％，其他實驗條件相同。

利用涂層顯微硬度測試方法測得上述ni-wc復合涂層的顯微硬度約為1152.7hv，利用涂層的耐磨性測試方法測得上述ni-wc復合涂層的磨損量約為1.86mg。