CN103276340B

CN103276340B - 具有多尺度wc晶粒的金属陶瓷涂层的制备方法

Info

Publication number: CN103276340B
Application number: CN201310232388.3A
Authority: CN
Inventors: 程振雄; 马宁; 乌焕涛; 叶福兴
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2013-06-09
Filing date: 2013-06-09
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-06-09
Also published as: CN103276340A

Abstract

本发明涉及具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及制备方法；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%；将WC-12Co热喷涂粉末进行均匀混合，采用行星式球磨机均匀混粉，对基体表面进行喷砂处理和清洗，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。所得涂层在不降低WC-12Co涂层强度硬度的情况下，显著提高其韧性，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。

Description

具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层的制备方法

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；

图2(a)：纳米级WC-12Co金属陶瓷粉末的微观形貌（SEM）；

图2(b)：亚微米级WC-12Co金属陶瓷粉末的微观形貌（SEM）；

图2(c)：微米级WC-12Co金属陶瓷粉末的微观形貌（SEM）；

图3(a)所制备多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末的微观形貌（SEM）；

图3(b)：所获得多尺度WC-12Co金属陶瓷涂层光镜微观组织；

图3(c)：所获得多尺度WC-12Co金属陶瓷涂层微观组织（SEM）。

具体实施方式

本发明所提供的一种具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层及其制备方法主要由三个步骤组成：对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），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%，60%～70%。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；对基体表面进行喷砂处理和清洗，所采用的沙子粒径为16目棕刚玉，喷砂后用无水乙醇对基体表面进行清洗处理；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。

实施例1：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1000℃，1200℃，1600℃。分别得到分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为20μm，35μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm）（见图2(a)），亚微米级（200nm≤d≤1μm）（见图2(b)），微米级（1μm＜d≤10μm）（见图2(c)）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%，20%，70%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末（见图3(a)）。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层（见图3(b，c)）厚度为300μm。涂层SEM微观结构见图3(c)。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占12%，亚微米WC晶粒约占22%，微米WC晶粒约占66%，最后经过测试，其强度≥70MPa，硬度1200HV_0.1～1300HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为15.3±1.5MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例2：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为15%，25%，60%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为350μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占16%，亚微米WC晶粒约占27%，微米WC晶粒约占57%，最后经过测试，其强度≥65MPa，硬度1100HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为13.3±1.4MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例3：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1400℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm ≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，36μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为11%，24%，65%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为320μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占12%，亚微米WC晶粒约占22%，微米WC晶粒约占66%，最后经过测试，其强度≥66MPa，硬度1100HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为13.3±1.6MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例4：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为12.5%，22.5%，65%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占16%，亚微米WC晶粒约占27%，微米WC晶粒约占57%，最后经过测试，其强度≥66MPa，硬度1100HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为11.6±1.3MPa·m1^/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例5：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1000℃，1200℃，1600℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为19μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为14%，24%，62%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占13%，亚微米WC晶粒约占25%，微米WC晶粒约占62%，最后经过测试，其强度≥69MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为14.3±1.6MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例6：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1300℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，41μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为15%，25%，60%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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12m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.2m³/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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占13%，亚微米WC晶粒约占25%，微米WC晶粒约占62%，最后经过测试，其强度≥65MPa，硬度1100HV_0.1～1150HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为16.3±1.8MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例7：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1400℃，1600℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，45μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%，25%，65%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占12%，亚微米WC晶粒约占24%，微米WC晶粒约占64%，最后经过测试，其强度≥66MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为17.3±1.6MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例8：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1250℃，1450℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，36μm，41μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为12%，22%，65%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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12m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占13%，亚微米WC晶粒约占24%，微米WC晶粒约占63%，最后经过测试，其强度≥64MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为15.3±1.3MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例9：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%，25%，65%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.2m³/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涂层厚度为320μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占13%，亚微米WC晶粒约占25%，微米WC晶粒约占62%，最后经过测试，其强度≥68MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为18.1±1.7MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例10：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1000℃，1200℃，1600℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm ≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为20μm，30μm，45μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为14%，22%，64%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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12.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.25m³/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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占15%，亚微米WC晶粒约占24%，微米WC晶粒约占66%，最后经过测试，其强度≥63MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为14.1±1.2MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例11：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%，20%，70%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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12.5m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.25m³/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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占11%，亚微米WC晶粒约占23%，微米WC晶粒约占64%，最后经过测试，其强度≥66MPa，硬度1300HV_0.1～1350HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为16.1±1.2MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

实施例12：

以88%WC和12%Co混合料为原料，在液态介质中，先将WC粉和Co粉末混合均匀，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，最后进行热处理。热处理温度分别为1100℃，1200℃，1500℃。分别得到WC晶粒为纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）的WC-12Co粉末。粉末平均粒径分别为25μm，38μm，40μm。对纳米级（10nm≤d＜200nm），亚微米级（200nm≤d≤1μm），微米级（1μm＜d≤10μm）WC-12Co热喷涂粉末在行星式球磨机中均匀混合，三种粉末对应的比例依次为10%，20%，70%。球磨时间为2h，转速为150r/m,获得多尺度WC-12Co金属陶瓷粉末。采用Q235钢为基体，将待喷涂的基体表面以16目棕刚玉砂砾进行喷砂粗化处理，去除表面的氧化层及杂物，活化及粗化表面。用无水乙醇对其表面进行清洗。利用超音速火焰喷涂方法制备多尺度WC-12Co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13m³/h，丙烷压力为0.65MPa，丙烷气流量为1.3m³/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涂层厚度为300μm。所制备涂层中，纳米WC晶粒约占15%，亚微米WC晶粒约占24%，微米WC晶粒约占66%，最后经过测试，其强度≥66MPa，硬度1200HV_0.1～1250HV_0.1，采用压痕法测得其断裂韧性为16.1±1.2MPa·m^1/2.其综合力学性能显著优于常规的单尺度WC-12Co金属陶瓷涂层。

由于本发明的具有多尺度WC晶粒的金属陶瓷涂层，第三类颗粒即亚微米WC颗粒的引入将能够减少纳米微米双尺度WC-Co复合粉末中微米级颗粒的添加量，从而大幅度的降低成本，有利于提高企业的竞争力。另外微米级WC颗粒的引入有利于提高涂层在高载荷下的耐磨性能，有利于满足重载、高磨损、冲击恶劣工况下服役的行走式工程机械再制造等领域对超硬强韧耐磨涂层的迫切需求。

尽管上面结合附图对本发明的优选实例进行了详细描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围内，可以根据实际情况改变WC-12Co粉末配比及涂层厚度。这些均在本发明的保护之内。如上所述通过对附图的说明及相应的具体实施方式描述本发明。但应理解的是，其中在实施例中关于再制造试样或试件的尺寸、类型和材料种类的描述并不意味着将本发明限定在所公开的特定形式，本方案仅仅是以示例的方式公开，除非另有特别说明。

Claims

1.一种制备具有多尺度WC晶粒的WC-12Co金属陶瓷涂层的方法，其特征是包括如下步骤：

1)混合粉末：对WC晶粒尺寸分别为纳米级、亚微米级和微米级的WC-12Co热喷涂粉末进行均匀混合，纳米级、亚微米级和微米级的尺寸范围分别为：纳米级，10nm≤d＜200nm；亚微米级，200nm≤d≤1μm；微米级，1μm＜d≤10μm，d为WC晶粒直径；其中，WC晶粒尺寸分别为纳米级、亚微米级和微米级的WC-12Co热喷涂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以WC-12Co热喷涂粉末为喷涂材料制备具有多尺度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金属陶瓷涂层；所得到的WC-12Co金属陶瓷涂层中，WC晶粒粒径包含纳米级、亚微米级和微米级，纳米级的尺寸范围为：10nm≤d＜200nm；亚微米的尺寸范围为：200nm≤d≤1μm；微米级的尺寸范围为：1μm＜d≤10μm；涂层中三种WC晶粒对应的分布比例依次为10％～15％，20％～25％和60％～70％。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是所述的WC-12Co热喷涂粉末用团聚烧结法获得方法是：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。

3.如权利要求1所述的方法，其特征是所采用的WC-12Co热喷涂粉末粒径为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。

4.如权利要求1所述的方法，其特征是Q235钢基体喷砂处理和清洗是采用粒径为16目棕刚玉进行喷砂后用无水乙醇对基体表面进行清洗处理。