[发明专利]具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，特别是涉及一种具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及其制备方法，通过改善WC-12Co涂层中WC晶粒粒径分布状况，在不降低WC-12Co涂层的强度的情况下，显著提高WC-12Co热喷涂涂层的韧性及耐磨性。获得一种具有高强韧性，耐磨的金属陶瓷涂层，能够在工程机械再制造领域获得广泛的应用。

背景技术

在热喷涂领域中WC-12Co是高硬度、高耐磨性涂层材料之一。在WC-12Co热喷涂粉末中金属Co包覆着WC粒子，WC晶粒以团聚的形态均匀分布在Co基体之上。WC-12Co的硬度及韧性决定了WC-12Co涂层的耐磨损性能，对于典型的WC-12Co硬质合金,当WC颗粒尺寸从1μm减小至200nm时,烧结块材的硬度从1300Hv增加至2000Hv。但随着WC硬质相颗粒尺寸的减小及硬度的增加,烧结块材的断裂韧性不断降低.WC-12Co金属陶瓷的韧性不仅可以通过粘结相Co的含量,而且也可以通过硬质相WC的颗粒尺寸来控制,但存在着强化与韧化矛盾的问题.

为了解决上述问题，本发明提出了一种具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及制备方法，能够有效的解决WC-12Co陶瓷涂层随着硬度的增加而断裂韧性显著下降的问题。从而获得一种具有高强韧性，耐磨的金属陶瓷涂层，能够在工程机械再制造领域获得广泛的应用。

发明内容

为解决WC-12Co陶瓷涂层随着硬度的增加而韧性显著下降，限制了其在再制造过程中不能满足工程机零件的再制造技术需求问题，本发明提供了一种具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及其制备方法，其目的在于利用热喷涂工艺手段，通过不同尺度的WC晶粒在涂层内均匀分布，在不降低WC-12Co涂层强度硬度的情况下，显著提高其韧性。其微观结构设计示意图见图1

本发明的技术方案如下：

本发明制备的一种具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层，在WC-12Co涂层中，WC晶粒粒径包含纳米级（10nm≤d＜200nm）、亚微米级（200nm≤d≤1μm）和微米级（1μm＜d≤10μm），对应的分布比例依次为10%～15%，20%～25%和60%～70%；d为WC晶粒粒径。

本发明的具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层的制备方法，包括如下步骤：

1）混合粉末：对纳米级（10nm≤d＜200nm）、亚微米级（200nm≤d≤1μm）和微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末进行均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%～15%，20%～25%和60%～70%。WC-12Co热喷涂粉末采用团聚烧结法获得；

2）采用行星式球磨机均匀混粉，球磨转速为150r/min,球磨时间为2h；

3）对Q235钢基体表面进行喷砂处理和清洗；

4）采用超音速火焰热喷涂技术在基体表面制备具有多尺度WC粒径的WC-12Co陶瓷涂层，超音速火焰热喷涂参数为：氧气压力为0.6MPa，氧气流量为12～13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.2～1.35m³/h，喷涂距离为250mm，送粉气体为N₂，气体压力0.6MPa，送粉速度为2r/min.喷后用压缩空气冷却；获得WC-12Co涂层。

所述的WC-12Co热喷涂粉末团聚烧结法制成方法是：在液态介质中，先将WC粉末和Co粉末混合均匀，Co质量分数为12%，然后进行喷雾干燥，形成以Co为有机粘接剂的固态团聚体颗粒，最后热处理，热处理温度为1000～1600℃。

所获得WC-12Co涂层，是以WC-12Co热喷涂粉末为喷涂材料，粉末粒径为15～45μm，金属Co包覆着WC粒子，WC晶粒以团聚的形态均匀分布在Co基体之上。

Q235钢基体喷砂处理和清洗是，采用沙子粒径为16目棕刚玉，喷砂后用无水乙醇对基体表面进行清洗处理。

本发明的WC-12Co金属陶瓷涂层系统其特征是不同尺度的WC晶粒在涂层内均匀分布，在不降低WC-12Co涂层强度硬度的情况下，显著提高其韧性。经拉伸实验与压痕法计算，与普通单尺度WC-12Co涂层相比，可以在不降低其强度和硬度的情况下，其韧性较单尺度WC-12Co涂层提高30%以上，从而获得一种具有高强韧性，耐磨的金属陶瓷涂层，能够在工程机械再制造领域获得广泛的应用。

附图说明

图1：多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层微观结构示意图；