專利名稱：一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法
技術領域：
本發明涉及一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，屬于材料表面工程技術領域。
背景技術：
核主泵中關鍵零部件，如水潤滑軸承、機械密封部件以及軸與其它部件的裝配配合副等，工作在高溫、高壓、高速、核輻射等極其苛刻的環境下，要求零部件表面滿足耐磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊性及抗輻射等性能要求，保證關鍵零部件使役壽命及系統的穩定性，以達到長期安全穩定運轉。熱噴涂技術是通過熱源將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態，并加速(或霧化后加速)形成高速熔滴，撞擊基體經扁平化、快速冷卻凝固沉積在基體表面形成覆層的一種材料成形方法，可使工件滿足耐高溫、抗氧化、抗腐蝕、耐磨損及抗沖擊等 性能要求，從而幾倍甚至幾十倍地提高工件的使用壽命，已廣泛的應用于軍事、航空、航天、機械、電力以及生物工程等領域。熱噴涂技術可以噴涂各種金屬及合金、陶瓷、塑料及非金屬等大多數固態工程材料，能制備具有各種性能的功能涂層，并且施工靈活，適應性強，不受成形件尺寸及形狀的限制；WC-Ni硬質合金涂層是一種耐磨抗蝕性能優良的硬質涂層，同時具有良好的抗氧化性、耐熱沖擊性以及在中子輻射下不產生放射性。采用熱噴涂技術在核主泵關鍵零部件表面制備WC-Ni硬質合金涂層，可滿足核主泵中關鍵零部件耐磨抗蝕配合副的制造需求，完全適于核主泵高壓、高溫、腐蝕介質及放射性環境下的關鍵零部件的表面強化與防護。但熱噴涂WC-Ni硬質合金涂層存在涂層孔隙率較高、致密度低和結合強度差等問題，解決熱噴涂涂層的致密性和結合強度問題成為該技術發展的關鍵。熱等靜壓技術是一種有效的材料致密化方法，其實質是一種使用高溫高壓壓制材料的方法，把通常裝在包套內的工件置于高壓釜中，在熱和壓力的雙重作用下，使材料內部的孔洞等缺陷減少或消失，從而有效的提高材料的致密性及抗磨損性能。熱等靜壓處理作為硬質合金生產過程的最后處理工序，已成為生產優質硬質合金的主要手段。熱等靜壓處理可以降低燒結態硬質合金的孔隙，獲得幾乎完全致密的合金，同時減少了形成合金斷裂源的缺陷尺寸，顯著提高了合金的強度性能，大幅度延長了合金的使用壽命。熱等靜壓處理可以閉合精鑄件中的鑄造疏松，消除與改善合金元素偏析，使材料力學性能分散度大大減小，充分發揮材料性能的潛力，國外已普遍作為航空發動機零件制作的必要工序。2000年，鋼鐵研究總院侯豁然等把熱等靜壓與熱噴涂結合起來，通過熱等靜壓的作用，減少涂層的孔隙，顯著提高其致密度，同時涂層與基體發生元素擴散，形成擴散連接，提高涂層的結合強度，熱等靜壓處理大幅改善了涂層的力學性能，耐磨性提高了近7倍，但熱等靜壓處理通常需要制備包套(或模型)，要求包套在熱等靜壓工藝溫度必須是柔軟的且是氣密的，而且包套的形狀一般比較復雜，難以機加工制造，熱等靜壓包套的設計與制造一直是限制熱等靜壓技術發展的一大難題。2012年，中南大學熊翔等采用二步熱等靜壓法來處理等離子體噴涂鎢異型件，首先利用低壓熱等靜壓大幅度降低噴涂層表面開孔率，起到了與包套處理類似的作用，然后利用高壓熱等靜壓使涂層微觀縫隙及空隙愈合。二步熱等靜壓處理后，鎢構件致密度由熱噴涂85. 6%提高至95. 6%，顯微硬度和拉伸強度分別由HVq.25N341. 7、55. 04MPa增加至HVck25n 547. 8、245. 25MPa，優于單一的低壓熱等靜壓或高壓熱等靜壓處理。盡管該方法可省去常規包套的工序，避免包套材料擴散而影響工件的成形質量，但這種方法并未實際形成熱等靜壓包套結構，其減少涂層孔隙，提高其致密度的作用仍然有限。強流脈沖離子束(High-intensity Pulsed Ion Beam-HIPIB)亦稱之為強脈沖離子束(Intense Pulsed Ion Beam-IPIB)或高功率離子束(High Power IonBeam-HPIB),通常指離子能量E = IO5-IO7eV,脈沖寬度T ^lus,離子束流密度Ji)) lA/cm2,功率密度P=107-1014W/cm2，能量密度q > lj/cm2的離子束。強流脈沖離子束技術是一種新的材料表面改性技術，源于20世紀70年代末期的慣性約束核聚變研究，具有超高溫、超高壓和強磁場等工藝特性。1997 年，Rej, Remnev 和 Yatsui 等在 Journal of Vacuum Science andTechnology聯合發表了關于強流脈沖離子束技術在材料加工領域應用的論文《Materialsprocessing withintense pulsed ion beams》。迄今為止,強流脈沖離子束技術已成功應用于輻照金屬/非金屬材料表面改性、薄膜沉積、材料表面清洗和納米粉末制備等領域。2006 年，雷明凱等的中國發明專利《用強流脈沖離子束對電子束物理氣相沉積涂層的封頂技術》(CN1948549A)，在室溫條件下，采用脈沖寬度為60 70ns、束流密度為250 350A/cm2的強流脈沖離子束輻照零部件基體上的陶瓷層，利用瞬間高能量密度沉積，造成陶瓷層表面溫度的急劇升高，使陶瓷層中柱狀晶粒的頂部發生熔化、蒸發和燒蝕，熔融的陶瓷材料被填充到晶粒間隙中，形成微米量級的連續封頂層，以封閉陶瓷層中柱狀晶粒之間的間隙；再用脈沖寬度為60 70ns、束流密度為50 lOOA/cm2的強流脈沖離子束輻照焊合封頂層表面的微裂紋，形成連續致密的封頂層，從而提高電子束蒸發物理氣相沉積涂層的抗高溫氧化性能。該方法可控性強、工藝簡單，采用較少的輻照次數即可實現所要求厚度的連續致密封頂層，且封頂層表面光滑平整；封頂后電子束蒸發氣相沉積涂層的抗氧化性能提高2倍以上。基于強流脈沖離子束輻照表面的封頂作用，本發明提供一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，利用熱噴涂方法在核主泵零部件表面上沉積WC-Ni硬質合金涂層，再利用具有短脈沖和高能量密度特征的強流脈沖離子束的封頂作用，在熱噴涂WC-Ni硬質合金涂層表面形成重熔的連續致密包套層，隨后利用重熔的包套層進行高壓熱等靜壓處理獲得整體致密化、高結合強度的WC-Ni硬質合金涂層，顯著提高零部件的使用性能。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，采用該方法制備的硬質合金涂層應能夠增強核主泵關鍵零部件的耐磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊以及抗輻射等性能，從而顯著提高核主泵的使用壽命。本發明提出的技術方案為一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法按照下述步驟進行a)對核主泵零部件待處理表面作常規的清潔處理，去除表面的油污和雜質；b)利用常規熱噴涂方法，在步驟a)處理后的核主泵零部件表面上沉積WC-Ni硬質合金涂層；WC-Ni硬質合金涂層中粘結相Ni的質量分數為6% 20%，涂層致密度為80 89%,涂層厚度為100 ~ 300 u m ；c)將步驟b)制備的工件安置在強流脈沖離子束裝置的處理室中，使待處理WC-Ni硬質合金涂層表面完全暴露在強流脈沖離子束束線輻照區內，關閉該裝置的真空室并抽真空，使其真空度達到0. 8 I. 3 X 10_2Pa ;d)在室溫條件下，利用脈沖寬度50 100ns、束流密度為200 350A/cm2的強流脈沖離子束對核主泵零部件表面上的WC-Ni硬質合金涂層進行2 10次輻照，在WC-Ni硬質合金涂層表面原位生成I 10 U m厚重熔的連續致密包套層；所述強流脈沖離子束為碳、氫混合離子束，離子加速電壓為300 350kV、一個脈沖輻照的能量密度為I lOJ/cm2 ；e)利用輻照形成的重熔的包套層對WC-Ni硬質合金涂層采用溫度為1000 1400°C、壓力為100 150MPa和燒結時間為30 90min的高壓熱等靜壓處理，獲得整體致密化、高結合強度的WC-Ni硬質合金涂層；所述重熔的包套層的厚度選用下限值I U m時，則強流脈沖離子束束流密度采用下限值200A/cm2，輻照次數采用下限值2次；當重熔的包套層的厚度選用上限值10 y m時， 則強流脈沖離子束束流密度采用上限值350A/cm2，輻照次數采用上限值10次。本發明克服了傳統熱等靜壓過程需要專門制作包套以及二步熱等靜壓過程復雜、耗能、生產成本高等問題，利用具有短脈沖和高能量密度特征的強流脈沖離子束的封頂作用在熱噴涂WC-Ni硬質合金涂層表面上原位生成微米量級重熔的連續致密包套層，隨后利用重熔的包套層進行高壓熱等靜壓處理獲得整體致密化、高結合強度的WC-Ni硬質合金涂層。該方法工藝效率高，節省能耗，生產成本低；所制備的WC-Ni硬質合金涂致密度高、與基體的結合性能好，能夠顯著提高核主泵關鍵零部件的耐磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊以及抗輻射等性能，保證核主泵長期可靠、穩定的運轉。
具體實施例方式下面結合實施例說明本發明的具體實施方式
。實施例I利用本發明方法在AISI 304L奧氏體不銹鋼基體上制備100 y m的WC-IONi硬質合金涂層，制備步驟如下a)在強流脈沖離子束輻照前，首先對AISI304不銹鋼基體待處理表面作常規的清潔處理，去除表面的油污和雜質；b)利用等離子體噴涂在步驟a)處理后的AISI304不銹鋼基體上沉積致密度為80%、厚度為100 ii m的WC-IONi硬質合金涂層；c)將步驟b)制備的樣品安置在強流脈沖離子束裝置的處理室中，使清潔處理后的待處理表面完全暴露在強流脈沖離子束束線輻照區內，關閉該裝置的真空室并抽真空，使其真空度達到I. lX10_2Pa;d)在室溫條件下，采用離子束束流成分為30%的碳離子和70%的氫離子，離子能量為300kV，脈沖寬度為60ns，束流密度為200A/cm2的強流脈沖離子束對AISI304不銹鋼表面上的WC-IONi硬質合金涂層進行2次輻照，在WC-IONi硬質合金涂層表面原位生成I U m重熔的連續致密包套層；e)利用高壓熱等靜壓對輻照后的WC-IONi硬質合金涂層進行致密化處理，溫度1360°C、壓力lOOMPa、燒結時間30min，獲得致密度為93%、結合強度為90±5MPa的WC-IONi
硬質涂層。
實施例2利用本發明方法在PH17-4馬氏體不銹鋼基體上制備150 iim的WC-IONi硬質合金涂層，制備步驟如下a)在強流脈沖離子束輻照前，首先對PH17-4馬氏體不銹鋼基體待處理表面作常規的清潔處理，去除表面的油污和雜質；b)利用等離子體噴涂在步驟a)處理后的PH17-4馬氏體不銹鋼基體上沉積致密度為88%、厚度為150 ii m的WC-IONi硬質合金涂層；c)將步驟b)制備的樣品安置在強流脈沖離子束裝置的處理室中，使清潔處理后的待處理表面完全暴露在強流脈沖離子束束線輻照區內，關閉該裝置的真空室并抽真空，使其真空度達到I. 3 X 10_2Pa;
d)在室溫條件下，采用離子束束流成分為30%的碳離子和70%的氫離子，離子能量為300kV，脈沖寬度為60ns，束流密度為300A/cm2的強流脈沖離子束對AISI304不銹鋼表面上的WC-IONi硬質合金涂層進行10次輻照，在WC-IONi硬質合金涂層表面原位生成8 ii m重熔的連續致密包套層；e)利用高壓熱等靜壓對輻照后的WC-IONi硬質合金涂層進行致密化處理，溫度1340°C、壓力lOOMPa、燒結時間60min，獲得致密度為97%、結合強度為105±5MPa的WC-IONi硬質涂層。實施例3利用本發明方法在2Crl3馬氏體不銹鋼基體上制備200 y m的WC_8Ni硬質合金涂層，制備步驟如下a)在強流脈沖離子束輻照前，首先對2Crl3不銹鋼基體待處理表面作常規的清潔處理，去除表面的油污和雜質；b)利用等離子體噴涂在步驟a)處理后的2Crl3不銹鋼基體上沉積致密度為85%、厚度為100 ii m的WC-8Ni硬質合金涂層；c)將步驟b)制備的樣品安置在強流脈沖離子束裝置的處理室中，使清潔處理后的待處理表面完全暴露在強流脈沖離子束束線輻照區內，關閉該裝置的真空室并抽真空，使其真空度達到1.0X10_2Pa;d)在室溫條件下，采用離子束束流成分為30%的碳離子和70%的氫離子，離子能量為350kV，脈沖寬度為60ns，束流密度為200A/cm2的強流脈沖離子束對2Crl3不銹鋼表面上的WC-8Ni硬質合金涂層進行10次輻照，在WC-8Ni硬質合金涂層表面原位生成5 ii m重熔的連續致密包套層；e)利用高壓熱等靜壓對輻照后的WC-SNi硬質合金涂層進行致密化處理，溫度1400°C、壓力120MPa、燒結時間30min，獲得致密度為95%、結合強度為95±5MPa的WC_8Ni硬質涂層。
權利要求
1.一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，其特征在于，所述制備方法按照下述步驟進行 a)對核主泵零部件待處理表面作常規的清潔處理，去除表面的油污和雜質； b)利用常規熱噴涂方法，在步驟a)處理后的核主泵零部件表面上沉積WC-Ni硬質合金涂層；WC-Ni硬質合金涂層中粘結相Ni的質量分數為6% 20%，涂層致密度為80 89%，涂層厚度為100 300μπι; c)將步驟b)制備的工件安置在強流脈沖離子束裝置的處理室中，使待處理WC-Ni硬質合金涂層表面完全暴露在強流脈沖離子束束線輻照區內，關閉該裝置的真空室并抽真空，使其真空度達到O. 8 I. 3X 10_2Pa ； d)在室溫條件下，利用脈沖寬度50 100ns、束流密度為200 350A/cm2的強流脈沖離子束對核主泵零部件表面上的WC-Ni硬質合金涂層進行2 10次輻照，在WC-Ni硬質合金涂層表面原位生成I 10 μ m厚重熔的連續致密包套層；所述強流脈沖離子束為碳、氫混 合離子束，離子加速電壓為300 350kV、一個脈沖輻照的能量密度為I lOJ/cm2 ； e)利用輻照形成的重熔的包套層對WC-Ni硬質合金涂層采用溫度為1000 1400°C、壓力為100 150MPa和燒結時間為30 90min的高壓熱等靜壓處理，獲得整體致密化、高結合強度的WC-Ni硬質合金涂層。
2.根據權利要求I所述的一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，其特征在于所述重熔的包套層的厚度選用下限值Iym時，則強流脈沖離子束束流密度采用下限值200A/cm2，輻照次數采用下限值2次；當重熔的包套層的厚度選用上限值10 μ m時，則強流脈沖離子束束流密度采用上限值350A/cm2，輻照次數采用上限值10次。
全文摘要
一種核主泵零部件用WC-Ni硬質合金涂層制備方法，屬于材料表面工程技術領域。該制備方法首先對核主泵零部件待處理表面作常規的清潔處理；利用熱噴涂方法在核主泵零部件表面上沉積WC-Ni硬質合金涂層；利用脈沖寬度為50～100ns、束流密度為200～350A/cm2的強流脈沖離子束對核主泵零部件表面上的WC-Ni硬質合金涂層進行2～10次輻照，在WC-Ni硬質合金涂層表面原位生成1～10μm厚重熔的連續致密包套層；利用重熔的包套層進行高壓熱等靜壓處理，形成整體致密化、高結合強度的WC-Ni硬質合金涂層。優點涂層致密度高、與基體的結合性能好；可顯著提高核主泵關鍵零部件的耐磨損、抗腐蝕、耐熱沖擊以及抗輻射等性能，保證核主泵長期可靠、穩定的運轉。
文檔編號C23C24/10GK102965612SQ20121043955
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月7日 優先權日2012年11月7日
發明者雷明凱, 朱小鵬, 張鋒剛, 李昱鵬, 郭浩 申請人:大連理工大學