本發明涉及一種零件的表面處理技術領域，尤其涉及一種具有高強度高韌性的微/納耦合涂層及其制備方法。

背景技術：

據統計，能源的1/3到1/2都是消耗于摩擦和磨損，而我國約有80%的機器零部件是因為磨損而失效，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用于機械設備關鍵零部件的表面強化以及尺寸和精度的修復等領域。受熱噴涂工藝本身特點的影響，涂層內部裂紋較多、結合力弱、致密性低等缺點嚴重影響涂層的使用性能，因此，如何進一步提高熱噴涂涂層的耐磨損性能仍然是目前最受關注的挑戰之一。

扁平粒子的結合率和結合強度是影響熱噴涂涂層耐磨性能的最重要指標。對于熱噴涂涂層而言，一般扁平粒子的結合率在30％左右，在磨損工況下，扁平粒子間的弱結合導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合率和其它缺陷（如裂紋和微氣孔）的存在，在外應力的作用下，是涂層裂紋產生和擴展的主要部位，而單個扁平粒子的脫落是引起涂層磨損失效的最直接原因。所以，對熱噴涂涂層進行強化的一個重要思路是改善扁平粒子界面結合狀態。

熱噴涂納米結構涂層具有更好的抗磨損、耐腐蝕以及其他優異性能，所以將納米材料與熱噴涂技術結合而形成的納米表面涂層與表面改性技術是納米材料的主要應用領域之一，也是熱噴涂重點發展的研究方向之一。已有的研究結果證明利用傳統的熱噴涂工藝制備納米顆粒強化的金屬基復合納米涂層是一種簡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注于在單個噴涂粉末顆粒內部添加納米強化顆粒，而從扁平粒子界面處著手利用納米顆粒進行強化的研究較少。

技術實現要素：

本發明的技術目的是提供一種具有高強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，通過調整熱噴涂工藝，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，實現熱噴涂涂層具有高強度和高韌性的目標，具有極大的經濟和社會效益。

本發明實現上述技術目的所采用的技術方案為：

一種具有高強度高韌性的耦合涂層，以微米級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行濕法球磨，對球磨后漿料進行噴霧造粒，過篩后制備出耦合粉體；

步驟2，對基體進行清洗、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，球磨工藝參數如下：以去離子水為溶劑，加入1-3wt%的PVP作為粘結劑，同時加入3-8wt%的耦合粉末配置漿料，按照球料比10-50:1加入磨球，球磨轉速為50-250r/min，球磨時間為3-8h；球磨完成后1小時內進行噴霧造粒，噴霧造粒的工藝參數如下：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，其噴涂參數為：助燃氣、燃氣和輔助氣的壓力分別為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、摩擦磨損試驗機和顯微硬度計對所得到的涂層樣品具體性能進行測試。

（1）涂層顯微硬度測試方法：

將涂層樣品的橫截面鑲嵌后拋光，采用數顯硬度計測量涂層橫截面的顯微硬度，所加載荷為300g，保壓時間為10s，硬度計算公式為：

式中：P——所加載荷；

d——壓痕對角線長度；

α——正方形四棱角錐體壓頭兩相對面夾角（規定為136°）；

每個試樣測試5個點，最后的硬度取其平均值。

（2）涂層摩擦性能測試方法：

將制備的涂層依次使用不同粒度的水砂紙進行表面研磨，并用金剛石研磨膏拋光至表面粗糙度Ra=0.5μm。磨損實驗在往復式摩擦磨損機上進行，對偶球是φ3mm的氮化硅（Si₃N₄）球，測試中全振幅為5mm，往復頻率5HZ，總滑動距離100m，測試時間33min，載荷5N，無潤滑。

本發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，具有如下優點：

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

（2）該方法解決了熱噴涂過程中納米粉末存在的輸送困難和易燒蝕等難點問題，所用的設備和工藝相對簡單，易于操作，生產效率較高，且不受尺寸和施工場所的限制，適用范圍廣。

本發明中具有高強度高韌性的微/納耦合涂層制備方法具有工藝簡單、綜合成本較低、生產效率高和適于產業化的優點，可替代目前的常規熱噴涂工藝。同時該技術還是符合國家循環經濟和可持續發展戰略的綠色制造技術，具有廣闊的應用前景與經濟效益。

附圖說明

圖1(a)是本發明實施例1中微米級的原始WC-Co粉末；

圖1(b)是本發明實施例1中納米級的WC粉末；

圖1(c)是本發明實施例1中制備的微/納耦合粉末；

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

圖2(a)是本發明實施例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，可見納米粒子均勻分布于扁平粒子的界面處；

圖3是本發明實施例1和實施例2中所制備涂層的硬度和磨損率與常規涂層的比較。

具體實施方式

下面通過實施例進一步說明本發明，但本發明絕非限于實施例。

實施例1：

本實施例中，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作為粘結劑，同時加入5wt%的耦合粉末配置漿料，按照球料比20:1加入磨球，球磨轉速為150r/min，球磨時間為4h，球磨完成后1小時內進行噴霧造粒，造粒時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目篩網之間的粉末為熱噴涂原料；

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

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為：助燃氣O₂、燃氣丙烷和壓縮空氣的壓力分別為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。

對上述制備得到的涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為5.14×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例2：

本實施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實施例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%。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為5.52×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例3：

本實施例中，耦合涂層的具體制備方法與實施例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。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為6.52×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例4：

本實施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實施例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，并且濕法球磨過程中加入3wt%的PVP作為粘結劑，轉速為100r/min，球磨時間為2h，造粒時用于霧化的壓縮空氣壓力為0.2MPa，干燥溫度為300℃。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為6.91×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例5：

本實施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實施例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。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為5.82×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例6：

本實施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實施例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，轉速為120r/min，球磨時間為3h，造粒時用于霧化的壓縮空氣壓力為0.4MPa，干燥溫度為350℃，取200目~400目篩網之間的粉末作為熱噴涂原料。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為6.01×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

實施例7：

本實施例中，微/納耦合涂層的具體制備方法與實施例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；噴涂過程中電流為600A，電壓為60V，噴涂距離為110mm。

對上述制備得到的微/納耦合涂層進行如下性能測試：

1. 涂層顯微硬度：利用涂層顯微硬度測試方法測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試方法，測得涂層磨損率為7.12×10^-7mm³/N·m，結果表明涂層的耐磨性能優于常規涂層。

以上所述的實施例對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。