本發明涉及金屬材料表面處理工藝，尤其涉及一種金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法。

背景技術：

金屬材料作為現代社會使用最廣泛的工程材料，其在服役過程中，往往容易產生熱疲勞磨損或受到腐蝕介質的侵蝕，這將直接導致金屬材料的失效，因此在實際應用時，通常對金屬基體表面施加涂層來延長其工作壽命。鑒于碳化鎢(WC)抗氧化性強、硬度高、耐磨耐蝕性好以及熱膨脹系數小等特點，眾多研究通過熱噴涂、激光熔覆、脈沖電極沉積等技術方法，將其作為涂層材料沉積于金屬構件表面，來提高基體耐磨性，耐蝕性等，從而進一步提高金屬材料的實際應用價值。

然而WC的熔點較高，脆性較大，采用等離子噴涂所獲得的涂層雖然均勻性好，但受結合力影響，往往易出現脫落現象。而激光熔覆技術方法通常可以實現涂層與金屬基體的冶金結合，滿足結合力的要求，但由于激光熔覆過程中加熱和冷卻速率極快，熔覆層與基體間熱膨脹系數的差異，容易導致熔覆涂層局部形成微裂紋或變形等缺點。因此，采用單一涂層制備手段獲得的涂層往往并不能滿足涂層的實際應用要求，這從某種程度上制約了WC涂層更大性能的發揮。

鑒于上述情況，迫切需要研發出一種可解決上述技術問題的金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法。

技術實現要素：

本發明目的旨在解決現有技術中的不足，提出一種通過在WC涂層中添加Co基合金作為粘結相，以彌補碳化鎢(WC)本身脆性較大，所獲得的涂層易出現斷裂、孔隙等缺點，并結合等離子噴涂與激光熔覆兩種涂層制備工藝的優點，在保證WC涂層均勻美觀的同時，實現了WC涂層與金屬基體冶金結合。

為實現上述目的，本發明提供了一種金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法。該方法包括以下步驟：

a、進行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末；

b、對金屬基體表面進行預處理；

c、采用等離子噴涂工藝將步驟a中的混合粉末噴涂在步驟b處理后的金屬基體表面上，以在金屬基體表面形成Co基WC涂層；

d、對步驟c中的Co基WC涂層進行激光重熔處理，以在金屬表面獲得與基體呈冶金結合、致密的Co/WC涂層。

優選地，所述步驟a具體包括如下步驟：

e、將Co基粉末與WC粉末分別進行球磨造粒處理；

f、將步驟e中球磨造粒后的Co基粉末與WC粉末機械混合均勻。

進一步優選地，所述步驟e具體包括：分別將兩種粉末分別與溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的質量分數比混合，經球磨后干燥，研磨成粉，并采用100#、200#篩逐級篩取，保留粒徑為100-200#的Co基粉末與WC粉末。

進一步優選地，所述步驟f具體包括：將步驟e中球磨造粒后的Co基粉末與WC粉末按質量分數百分比混合，其中Co基粉末為60.0-80.0 wt.%，WC粉為20.0-40.0 wt.%，并經機械混合均勻后待用。

優選地，所述步驟b中的金屬基體包括碳鋼、不銹鋼或鈦合金中的一種。

優選地，所述步驟b具體包括：將金屬基體經180-500#SiC砂紙打磨處理，并用丙酮清洗除油，隨后對其表面噴砂處理4-8min，直至金屬表面失去金屬光澤，并再次用丙酮清洗除油。

優選地，所述噴砂處理的噴料采用棕剛玉砂。

優選地，所述步驟c中噴涂工藝的參數為：噴槍與金屬基體間距離為90-110mm；等離子噴涂功率為80-90kW；氬氣流速為40-48L/min；氫氣流速為13-19L/min；送粉速率為25-30g/min。

優選地，所述步驟d中激光重熔處理的參數為：氮氣流速為20L/min；激光熔覆功率為70-85W/mm2；熔覆頻率為8-10Hz；電流脈寬為6-8μs；電流為220A；掃描速率為3-8mm/s。

本發明的有效效果：采用Co基合金作為粘結基體，克服了WC由于燒結性差，獲得的涂層易斷裂等缺點；同時結合了等離子噴涂與激光熔覆兩種技術的優點，在金屬表面獲得了一層均勻致密，不易斷裂，且與基體呈冶金結合的Co基WC涂層。該涂層顯著提高了金屬基體的耐磨擦性能，且在酸性環境中能夠有效阻擋腐蝕介質的滲透，對金屬材料表面性能提高具有很高的實用價值，可應用于金屬材料的表面防護和耐磨等領域。

附圖說明

圖1是本發明的一種金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法流程圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好的理解本發明實施例中的技術方案，并使本發明實施例的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作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。

圖1是本發明的一種金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法流程圖。

如圖1所示，本發明的一種金屬表面制備Co基WC涂層的工藝方法包括以下步驟：

在步驟101中，進行混合粉末的配置，所述混合粉末包括Co基粉末和WC粉末。

在步驟102中，對金屬基體表面進行預處理，所述金屬基體為碳鋼、不銹鋼或鈦合金中的一種。

在步驟103中，采用等離子噴涂工藝將步驟101中的混合粉末噴涂在步驟102處理后的金屬基體表面上，以在金屬基體表面預制備一層Co基WC涂層。

在步驟104中，對步驟103中的預制備的Co基WC涂層進行激光重熔處理，以在金屬表面獲得與基體呈冶金結合、致密的Co/WC涂層。

具體地，上述步驟101具體包括如下步驟：

將Co基粉末與WC粉末分別進行球磨造粒處理。Co基粉末與WC粉末球磨造粒過程為：分別將兩種粉末分別與溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的質量分數比混合，經球磨后干燥，研磨成粉，并采用100#、200#篩逐級篩取，保留粒徑為100-200#的Co基粉末與WC粉末。

將上述球磨造粒后的Co基粉末與WC粉末機械混合均勻。Co基粉末與WC粉末混合過程為：將球磨造粒后的Co基粉末與WC粉末按質量分數百分比混合，其中Co基粉末為60.0-80.0 wt.%，WC粉為20.0-40.0 wt.%，并經機械混合均勻后待用。

上述步驟102中金屬表面預處理工藝具體為：將金屬基體經180-500#SiC砂紙打磨處理，并用丙酮清洗除油，隨后對其表面噴砂(棕剛玉砂)處理4-8min，直至金屬表面失去金屬光澤，并再次用丙酮清洗除油。

上述步驟103中采用等離子噴涂工藝在金屬基體表面預制備Co基WC涂層中的噴涂參數為：噴槍與金屬基體間距離為90-110mm；等離子噴涂功率為80-90kW；氬氣流速為40-48L/min；氫氣流速為13-19L/min；送粉速率為25-30g/min。

上述步驟104中對預制備Co基WC涂層進行激光重熔處理的工藝參數為：氮氣流速為20L/min；激光熔覆功率為70-85W/mm2；熔覆頻率為8-10Hz；電流脈寬為6-8μs；電流為220A；掃描速率為3-8mm/s。

另外，為了檢測通過上述工藝制備的Co基WC涂層的性能情況，本發明可對制備的Co基WC涂層進行耐蝕性評價以及涂層脆性測試。具體操作可如下：

腐蝕性評價：將本發明制備的Co基WC涂層試樣在3.5%NaCl溶液中進行動電位掃描，通過自腐蝕電位的變化評價其耐蝕性。

涂層脆性測試：將本發明制備的Co基WC涂層試樣夾在墊上布料的虎鉗上，并對試片作90o彎曲，直至試片出現裂紋，再根據出現裂紋時的彎曲次數評價涂層脆性。

經過耐蝕性評價以及涂層脆性測試的Co基WC涂層具有不易斷裂和耐腐蝕的優點。

以下通過實施例具體說明該復合涂層的制備過程。

分別將Co基合金粉末與WC粉末與溶解后的聚乙烯醇(PVA)按15:1的質量分數比混合，經行星球磨機球磨2h后于鼓風干燥箱中干燥24h，隨后將其研磨成粉，并采用100#與200#過目篩逐級篩取，保留粒徑為100-200#的Co基粉末與WC粉末。

金屬基體選用碳鋼、鈦合金或不銹鋼(以下實例均選用316L不銹鋼)，并通過線切割將其切割成成10mm×10mm×3mm的片狀基材，180-500#SiC砂紙打磨處理，并用丙酮清洗除油，隨后對其表面噴砂(棕剛玉砂)處理4-8min，直至金屬表面失去金屬光澤，并再次用丙酮清洗除油。

實施例一：

本實例將上述造粒后的WC粉末直接采用等離子噴涂技術在預處理金屬基體表面制備獲得涂層，通過機械手控制噴槍與金屬基體間的噴涂距離為95mm，并調節噴涂功率為85kW，控制氬氣流速為45L/min，氫氣流速為18L/min，送粉率保持為25g/min左右。

本實例所獲得的WC涂層厚度約為15μm，動電位極化測試表明該涂層相對于基體，腐蝕電位提升約120 mV，在1-2次的彎曲試驗后，涂層出現了明顯裂紋，并伴有脫落現象。

實施例二：

本實例將上述造粒后的WC粉末與Co基粉末按質量分數百分比混合，其中Co基粉末為60.0 wt.%，WC粉為40.0 wt.%，并經機械混合使其均勻。隨后通過機械手控制噴槍與金屬基體間的噴涂距離為95mm，并調節噴涂功率為80kW，控制氬氣流速為45L/min，氫氣流速為18L/min，送粉率保持為28g/min左右。

本實例所獲得的Co基WC涂層厚度約為18μm，動電位極化測試表明該涂層相對于基體，腐蝕電位提升約160 mV，在4-5次的彎曲試驗后，涂層出現了起皮，脫落現象。表明Co基粘結相的加入，有利于降低WC涂層的脆性。

實施例三：

本實例將上述造粒后的WC粉末與Co基粉末按質量分數百分比混合，其中Co基粉末為60.0 wt.%，WC粉為40.0 wt.%，并經機械混合使其均勻。通過機械手控制噴槍與金屬基體間的噴涂距離為95mm，并調節噴涂功率為80kW，控制氬氣流速為45L/min，氫氣流速為18L/min，送粉率保持為28g/min左右。在基體表面預制備一層厚度約為18μm的涂層。隨后對涂層作進一步激光熔覆處理，激光重熔在流速為20L/min的氮氣保護下進行，并調節激光熔覆輸出功率為89W/mm2；熔覆頻率為9Hz；電流脈寬為8μs；電流為220A；掃描速率為8mm/s。

本實例所獲得的重熔Co基WC涂層厚度約為20μm，動電位極化測試表明該涂層相對于基體，腐蝕電位提升約280 mV，在10以上次的彎曲試驗后，涂層開始出現裂紋，但并沒有脫落現象產生。表明經過激光重熔后，Co基WC涂層與基體結合力明顯增強。

實施例四：

本實例將上述造粒后的WC粉末與Co基粉末按質量分數百分比混合，其中Co基粉末為80.0 wt.%，WC粉為20.0 wt.%，并經機械混合使其均勻。通過機械手控制噴槍與金屬基體間的噴涂距離為90mm，并調節噴涂功率為80kW，控制氬氣流速為42L/min，氫氣流速為18L/min，送粉率保持為28g/min左右。在基體表面預制備一層厚度約為18μm的涂層。隨后對涂層作進一步激光熔覆處理，激光重熔在流速為20L/min的氮氣保護下進行，并調節激光熔覆輸出功率為85W/mm2；熔覆頻率為9Hz；電流脈寬為8μs；電流為220A；掃描速率為5mm/s。

本實例所獲得的重熔Co基WC涂層厚度約為20μm，動電位極化測試表明該涂層相對于基體，腐蝕電位提升約260 mV，在15以上次的彎曲試驗后，涂層開始出現裂紋，但并沒有脫落現象產生。表明經過激光重熔后，Co基WC涂層與基體結合力明顯增強。

綜上，本發明提供的在金屬表面制備Co基WC涂層的工藝采用Co基合金作為粘結基體，克服了WC由于燒結性差，獲得的涂層易斷裂等缺點；同時結合了等離子噴涂與激光熔覆兩種技術的優點，在金屬表面獲得了一層均勻致密，不易斷裂，且與基體呈冶金結合的Co基WC涂層。通過本發明制備的涂層可顯著提高金屬基體的耐磨擦性能，且在酸性環境中能夠有效阻擋腐蝕介質的滲透，對金屬材料表面性能提高具有很高的實用價值。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。