本發明涉及涂層制備技術領域，特別是一種基于電火花放電的涂層制備方法及裝置。

背景技術：

在現代工業生產中，金屬材料廣泛應用于模具生產，由于在高溫環境中，模具鋼材料表面容易受到腐蝕并且耐磨性大大改變，因此要在模具鋼材料表面制備保護涂層，且要求這種涂層具有耐高溫、抗氧化和抗沖擊磨損的特性。國內外學者針對熱作模具鋼表面進行處理的研究方法主要為：表面載能束熱處理和物理氣相沉積、化學氣相沉積、激光強化等表面強化新技術。其中，表面載能束熱處理包括熱噴涂技術，該技術性能優異，涂層結合強度較高，且致密，耐磨損性能優越，應用前景良好，但是成本較高，靈活性較差；激光強化表面技術的優勢在于能夠獲得與金屬形成良好冶金結合的涂層，致密度較高，但是主要的技術缺陷在于涂層具有較高的裂紋敏感性。

電火花沉積技術是近十幾年迅速發展的新興技術，該技術包括：在電極之間形成脈沖電流、瞬間放出火花、產生高溫、將電極融化到基體表面和基體材料結合成表面涂層，所得涂層具有良好的紅硬性和耐磨性，成本較低，靈活性較強。目前，大部分學者采用的以基體材料為電極的做法的弊端是會同時融化金屬層，使涂層純度不高，從而相應的性能會有所下降。因此，開發一種涂層純度較高、涂層結合強度和力學性能較好的基于電火花放電的涂層制備方法及裝置是本領域技術人員要解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是：基于現有的表面涂層技術中存在的涂層純度不高、力學性能較差的問題，提供一種涂層純度較高、涂層結合強度和力學性能較好、加工效率較高、加工成本較低、適用于復雜型面加工(如熱作模具表面)的基于電火花放電的涂層制備方法及裝置。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

將作為電極的正極靶材、負極靶材分別與脈沖電源正極負極相連，并通過伺服控制系統勻速移動，同時保持正極靶材、負極靶材電火花放電所需要的距離，在放電過程中用高速氣流對正極靶材、負極靶材放電區域進行沖涮，使由正極靶材、負極靶材放電而產生的熔化和氣化的產物在高速氣流的作用下高速沖擊在基體材料表面，然后凝固形成具有厚度的涂層。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發生裝置、設置在高速氣流發生裝置氣流出口處的基體材料、對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口與基體材料之間的正極靶材和負極靶材，正極靶材、負極靶材分別與脈沖電源和伺服控制系統連接。

進一步限定，所述高速氣流發生裝置包括：儲氣罐、與儲氣罐依次連接的增壓裝置和高壓氣體噴頭。

進一步限定，所述靶材為電阻率小于1Ω·cm的導電材料。

進一步限定，所述靶材為柱體形狀，正極靶材和負極靶材分別以陣列形式對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口下側的外周圍，正極靶材與負極靶材間隙為0.1-10mm。

進一步限定，所述靶材為塊體形狀，正極靶材和負極靶材對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口與基體材料之間，正極靶材與負極靶材間隙為0.1-10mm。

進一步限定，所述的高速氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣中的一種；所述的高速氣體的速度為100-2000m/s；所述的脈沖電源放電電流為1-100A，脈寬為0.1-10000μs，占空比為1:10-10:1。

本發明的技術方案是通過電火花方法產生的高溫能量使靶材局部熔化和氣化，并利用高速流動的惰性氣體使熔化和氣化的材料高速沖擊在基體材料表面，最終冷卻凝固，形成厚度為10-500μm的涂層，制備成本較低、效率較高，具體有益效果如下：

(1)本發明的制備方法中的涂層材料均來自于靶材，實現了靶材放電區與基體材料的零接觸，可有效保證制備涂層純度，提高涂層性能；

(2)本發明的制備方法采用高速惰性氣體對電極放電區域進行沖涮的技術方案，可大幅度提高電火花放電過程中的材料去除效率，從而進一步提高涂層的制備效率；同時，熔化和氣化的材料在高速流動的惰性的作用下，高速撞擊在基體表面可提高涂層與基體材料的結合性能；且惰性氣體能有效保護涂層區域不出現氧化；

(3)本發明的制備方法中的靶材可以為任何導電材料，從而可以滿足廣泛使用需求，當采用陣列電極時，制備效率可大幅度提高。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明；

圖1是本發明的基于電火花放電的涂層制備的原理圖；

圖2本發明的基于陣列電極制備涂層的原理圖；

圖3為圖2中A區域的三維結構圖；

圖4為圖2中A區域陰影部分放大結構示意圖；

圖中，1.正極靶材，2.負極靶材，3.脈沖電源，4.伺服控制系統，5.基體材料，61.儲氣罐，62.增壓裝置，63.高壓氣體噴頭，7.WC涂層，8.套管式夾具,9.TiN涂層。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

靶材材料為圓柱塊狀的WC棒，首先將作為電極的正極靶材1、負極靶材2分別與脈沖電源3正極負極相連，并通過伺服控制系統4控制使正極靶材1、負極靶材2分別勻速移動，同時保持正極靶材1、負極靶材2電火花放電所需要的距離為0.2mm，開路電壓為200V，在放電過程中用高速氬氣氣流對正極靶材1、負極靶材2放電區域進行沖涮，使由正極靶材1、負極靶材2放電而產生的熔化和氣化的WC產物在高速氣流的作用下高速沖擊在表面平整的H13熱作模具鋼的基體材料5表面，然后凝固形成155μm厚度的WC涂層7。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發生裝置、設置在高速氣流發生裝置氣流出口處的基體材料5、對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口與基體材料5之間的正極靶材1和負極靶材2，正極靶材1、負極靶材2分別與脈沖電源3和伺服控制系統4連接。

上述技術方案中，所述高速氣流發生裝置包括：儲氣罐61、與儲氣罐61依次通過管道連接的增壓裝置62和高壓氣體噴頭63；正極靶材1或負極靶材2均為電阻率小于1Ω·cm的導電材料；靶材為塊體形狀，正極靶材1和負極靶材2對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口與基體材料5之間，所述高速氬氣氣體的速度為1100m/s；脈沖電源放電電流為50A，脈寬為100μs，占空比為1:10。

實驗完成后對上述WC涂層7進行硬度測試，得出涂層平均硬度為170HRC，而H13熱作模具鋼硬度為54HRC，涂層的硬度為基體材料硬度的3倍，且表面無明顯裂紋，結果證明這種方法能明顯提高材料的承載能力。然后使用摩擦磨損試驗機進行實驗，摩擦副為300號砂紙，粒度為200μm，載荷為1kg，磨程為600m，涂層磨損體積為1.6×10^-2mm³，H13熱作模具鋼磨損體積為3.5×10^-2mm³，涂層耐磨性是基體材料的2.2倍，證明涂層耐磨性大大增加。

實施例2

如圖2所示，一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

靶材材料為圓柱體狀的工業純鈦TA2棒，直徑5mm，正極靶材1和負極靶材2一共各四根TA2棒分別以陣列形式對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口下側的外周圍，如圖3所示(圖3所示為八根TA2棒B、C、D、E和b、c、d、e通過套管式夾具8以陣列形式對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口下側的外周圍)，正極靶材1和負極靶材2之間的間距為0.3mm。基體材料5為圓柱狀45鋼，通過固定旋轉裝置把基體材料5固定并以轉速為60r/min的速度勻速旋轉。

首先將作為電極的正極靶材1、負極靶材2分別與相互隔離的四組脈沖電源3正極負極相連，并通過伺服控制系統4控制套管式夾具8使正極靶材1、負極靶材2分別勻速移動，從而使相互正對著的兩TA2棒能產生電火花放電，即在同一時刻能產生4次放電，開路電壓為300V，在放電過程中用高速高純氮氣氣流對正極靶材1、負極靶材2放電區域進行沖涮，使由正極靶材1、負極靶材2放電而產生的熔化和氣化的TA2產物在高速氣流的作用下高速沖擊在圓柱狀45鋼的基體材料5表面，然后凝固形成40μm厚度的TiN涂層9。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發生裝置、設置在高速氣流發生裝置氣流出口處的基體材料5、對稱設置在高速氣流發生裝置氣流出口與基體材料5之間的正極靶材1和負極靶材2，正極靶材1、負極靶材2分別與脈沖電源3和伺服控制系統4連接。

上述技術方案中，所述高速氣流發生裝置包括：儲氣罐61、與儲氣罐61依次通過管道連接的增壓裝置62和高壓氣體噴頭63，高壓氣體噴頭63與套管式夾具8之間及正極靶材1和負極靶材2之間均設置有絕緣層；正極靶材1或負極靶材2均為電阻率小于1Ω·cm的導電材料；所述高速高純氮氣氣體的速度為1500m/s，既可做為保護氣，同時也是涂層中N的來源；脈沖電源放電電流為60A，脈寬為200μs，占空比為1:5。

實驗完成后對TiN涂層9進行顯微硬度測試，采用HVS-1000型顯微硬度計測量，實驗加載100g，保荷時間10s，表層10μm處的顯微硬度最高達1600HV，是基體硬度(269HV)的5倍以上，且表面無明顯裂紋，結果證明這種方法能有效地提高材料的承載能力；然后采用型號為MM-200型環-塊摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，試樣軸轉速200r/min，法向載荷50N，磨損時間30min，其中涂層磨損失重0.0011g，而基體材料失重0.0071g，證明制備涂層后耐磨性大大增加。