CN111607791A - 一种电磁复合场辅助制备分布可控的wc增强金属基复合涂层的方法及装置 - Google Patents

一种电磁复合场辅助制备分布可控的wc增强金属基复合涂层的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电磁复合场辅助制备分布可控的WC增强金属基复合涂层的方法及装置，是以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材、以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过电磁复合场辅助等离子熔覆在待处理工件表面形成WC增强金属基复合涂层。本发明在等离子熔覆的过程中，对工件同时施加磁场和电场，使熔池中的带电颗粒和带电流体在磁场和电场的共同作用下，受到向上的洛伦兹力，避免WC颗粒沉底，从而使WC颗粒均匀分布在复合涂层中。

Description

一种电磁复合场辅助制备分布可控的WC增强金属基复合涂层 的方法及装置
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，具体涉及一种电磁复合场辅助等离子熔覆制备分布可控的WC增强金属基复合涂层的方法及装置。
背景技术
金属的失效，包括磨损、腐蚀疲劳与断裂等，往往都是由金属表面开始的。WC颗粒增强的金属基(铁基、镍基或钴基)复合涂层能够显著提高工件表面的硬度，改善工件的耐磨和耐腐蚀性能。它兼有WC的高硬度和金属的高韧性，且WC颗粒和合金相互浸润性好，结合强度高。WC增强的镍基复合涂层还具有红硬性，高温条件下其硬度下降很少，仍有良好的耐磨性。但是，由于WC密度远比金属基体密度高，等离子熔覆或者激光熔覆的常规方法制备出的WC颗粒增强金属基复合涂层存在WC颗粒沉底问题。WC的分布不均匀不仅不能发挥出WC颗粒弥散强化的效果，还导致复合涂层易开裂。
关于WC分布调控的研究主要从以下两个方面着手：一方面是通过调节工艺参数来调控WC颗粒在涂层中的分布。如杨二娟、李勇等研究了WC含量对NiCrBSi-WC复合涂层的影响(杨二娟,李勇.WC含量对激光熔覆NiCrBSi-WC复合涂层显微结构及力学性能的影响[J].表面技术,2019,48(9).)，发现：当WC在混合粉末中的体积分数低于60％时，WC颗粒出现沉底；体积分数介于60％～80％之间时，WC颗粒分布均匀；体积分数高于80％时，涂层出现大量气孔等缺陷。金绍彤、杜晓东等研究了送粉方式对WC颗粒增强铁基熔覆层的影响，发现WC通过后送粉方式进入熔池后，在涂层中分布更均匀(金绍彤,杜晓东.送粉方式对WC颗粒增强铁基熔覆层的影响[J].表面技术,2016,45(10).)。A.Ortiz等人研究了激光熔覆NiCrBSi/WC复合涂层中不同含量的WC的分布，建立了WC的分布模型(A.Ortiz，A.García，etal.WC particles distribution model in the cross-section of laser claddedNiCrBSi+WC coatings,for different wt％WC[J].Surface&Coatings Technology,2017,324:298–306.)。另一方面是通过附加能场来调节WC在复合涂层中的分布。如李美艳等研究了超声振动对激光熔覆Ni/WC/La2O3复合涂层组织和性能的影响，发现合适功率的超声振动能使WC在复合涂层中分布更均匀(Meiyan Li，Qi Zhang，Bin Han，et al.Microstructureandproperty ofNi/WC/La2O3 coatings by ultrasonic vibration-assisted lasercladding treatment[J].Optics and Lasers in Engineering,2020,125.)。许华等通过电磁搅拌辅助激光熔覆硬质合金，使WC在YG8硬质合金中均匀分布等(许华，郑光启.电磁搅拌辅助激光熔覆硬质合金的研究[J].激光技术,2005,29(5).)。
从目前的结果来看，通过工艺参数调控WC颗粒的分布存在工艺调节窗口狭窄、对WC分布调控不够灵活、工艺参数的探索复杂等问题。通过附加能场调控WC分布的方式主要有电场、磁场和超声振动。由于超声衰减快、难以直接加载到熔覆层等多种原因，研究大多集中在磁场或电磁复合场方面，如；宋诗英等利用稳态磁场辅助激光熔注过程，使增强颗粒集中分布于熔注层上部(宋诗英，王梁，胡勇.稳态磁场辅助激光熔注制备梯度涂层[J].中国激光,2016,43(5).)。王梁等研究了电磁复合场协同激光同轴熔注对增强颗粒分布梯度的调控，实现了对WC分布的灵活调控等(王梁.电磁复合场协同激光同轴熔注对增强颗粒分布梯度的调控研究[D].浙江：浙江工业大学，2016.)。从上述的报道来看，对WC的分布调控研究主要集中在激光熔覆、熔注方面，但对等离子熔覆制备WC颗粒增强的复合涂层中WC的分布调控这一方面的研究较少。然而等离子熔覆制备复合涂层是工业上提高材料硬度、耐磨性应用最广泛的技术之一。因此，等离子熔覆制备WC颗粒增强复合涂层中WC颗粒的分布调控成为一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明公开了一种电磁复合场辅助等离子熔覆制备分布可控的WC增强金属基复合涂层的方法及装置，以期可知WC颗粒分布更均匀的复合涂层。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电磁复合场辅助制备分布可控的WC增强金属基复合涂层的方法，其特点在于：以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材、以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过等离子熔覆在待处理工件表面形成WC增强金属基复合涂层；
在等离子熔覆的过程中，对工件同时施加磁场和电场，使熔池中的带电颗粒和带电流体在磁场和电场的共同作用下，受到向上的洛伦兹力，避免WC颗粒沉底，从而使WC颗粒均匀分布在复合涂层中。
进一步地：所述金属基自熔性合金粉末为铁基、镍基或钴基自熔性合金粉末中的一种，粉末粒度为100～300目；所述WC颗粒粉末为球形WC粉末，粉末粒度为100～300目；所述待处理工件为导电的铁磁性材料，相对磁导率大于100。
进一步地，所述等离子熔覆的工艺参数为：熔覆所使用的工作气为氩气，工作气压为0.2～0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为100～160A，焊接行走速度为30～80mm/min，焊枪摆宽为8～30mm，焊枪摆动速度为1000～1800mm/min，金属基自熔性合金粉末送粉量为10～50g/min，WC粉末送粉量为15～50g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与待处理工件表面距离为10～15mm。
进一步地，作用于工件的所述磁场的强度为0.06～1T，所述电场中电流的大小等于喷焊电流。
本发明还公开了一种用于实现上述方法的电磁场辅助装置，所述电磁场辅助装置的结构为：两个侧板平行直立连接于底板上，构成机架；磁场发生装置安装于所述机架上；所述磁场发生装置的两个磁场发生单元分别安装于两个侧板上，两个所述磁场发生单元中任一产生N磁极，另一产生S磁极，并形成位于两个所述侧板之间的水平磁场；
可升降工作台设于两个所述磁场发生装置之间，其台面上设有一对夹头；所述夹头中的一个为导电夹头，并通过导线与等离子喷焊机的电源正极电性连通，所述等离子喷焊机的焊枪内的钨极通过导线与等离子喷焊机的电源负极连通；待熔覆工件置于所述台面上，装配于一对所述夹头之间；
工作时，正电荷依次运动经过电源正极、导电夹头、待熔覆工件、等离子熔覆过程中待熔覆工件和焊枪之间形成的导电等离子弧、钨极和电源负极，形成沿正电荷运动路径方向的电流；所述水平磁场的方向与所述导电夹头的设置相适应，使所述待熔覆工件受到的洛伦兹力向上。
进一步的，所述磁场发生装置的结构为：线圈绕设于铁芯上，形成通电磁极，冷却水管绕设于所述线圈外部，外壳包覆于所述线圈和所述冷却水管外部，安装于所述铁芯上，构成所述磁场发生单元；
两个所述磁场发生单元与设于所述底座上的U形铁构成所述磁场发生装置；两个所述线圈的规格参数相同、绕向一致并且通过线圈导线电性连通，所述U形铁的开口朝上，所述磁场发生装置产生的磁场为闭合磁路。
进一步的，所述铁芯螺纹配合于对应的所述侧板上设置的安装孔内，其轴线水平设置，所述铁芯的外端可拆卸连接用于限位的端板。
进一步的，所述铁芯的材料为圆柱形的铸造铝钴镍合金。
进一步的，所述外壳由铝合金制成。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、本发明通过同时施加磁场和电场，使熔池中的带电颗粒和带电流体在磁场和电场的共同作用下，受到向上的洛伦兹力，避免WC颗粒沉底，从而使WC颗粒均匀分布在复合涂层中，充分发挥固溶强化的作用。
2、本发明设置了电磁场辅助装置，用于在等离子熔覆的过程中对工件同时施加磁场和电场，结构简单、使用方便。该装置通过导线将工件和焊枪的钨极相连，使喷焊电流由工件(正极)通过导线流向焊枪内的钨极(负极)，利用喷焊时的喷焊电流与外加磁场形成的电磁复合场使熔池中的带电颗粒和带电流体受到向上的洛伦兹力。
3、本发明采用焊枪同轴送粉，工艺调节方便。
4、本发明所用的WC粉末更优选为镍包WC，能够有效地降低WC的烧损、熔解。
5、本发明采用U形铁连接两磁极铁芯，能够产生磁场强度高达1.2T的磁场。所用的铁芯材料为铝钴镍合金，能够在600℃以下的温度范围内正常工作，试验时可以将两磁极与工件间的距离大大缩小，从而使磁场集中分布在工件内，降低磁场对等离子弧的影响。
附图说明
图1为本发明电磁场辅助装置的结构示意图；
图2为本发明磁场发生装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度120mT、电流120A)的钨灯丝电镜扫描图；
图4为本发明对比例1所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度0mT、电流120A)的钨灯丝电镜扫描图；
图5为本发明实施例1与对比例1所制备的WC增强镍基复合涂层的硬度曲线对比图，沿熔覆层横截面竖直方向每隔200μm打点，并将融合界面附近的点作为零点；
图中标号：1、机架，11、底板，12、侧板；2、磁场发生装置，21、磁场发生单元，211、铁芯，212、线圈，213、冷却水管，214、外壳，215、端板，22、U形铁；3、可升降工作台，31、台面，32、夹头；4、导线；5、焊枪；6、待熔覆工件。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做详细说明。以下实施例是说明性的，而不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。
如图1和图2所示，下述实施例所用电磁场辅助设备的结构为：两个侧板12平行直立连接于底板11上，构成机架1；磁场发生装置2安装于机架1上；磁场发生装置2的两个磁场发生单元21分别安装于两个侧板12上，两个磁场发生单元21中任一产生N磁极，另一产生S磁极，并形成位于两个侧板12之间的水平磁场；
可升降工作台3设于两个磁场发生装置2之间，其台面31上设有一对夹头32；夹头32中的一个为导电夹头，并通过导线4与等离子喷焊机的电源正极电性连通，等离子喷焊机的焊枪5内的钨极通过导线4与等离子喷焊机的电源负极连通；待熔覆工件6置于台面31上，装配于一对夹头32之间；
工作时，正电荷依次运动经过电源正极、导电夹头、待熔覆工件6、等离子熔覆过程中待熔覆工件6和焊枪5之间形成的导电等离子弧、钨极和电源负极，形成沿正电荷运动路径方向的电流；水平磁场的方向与导电夹头的设置相适应，使待熔覆工件6受到的洛伦兹力向上；
在等离子熔覆的过程中，待熔覆工件6既受到横向稳态磁场作用，工件内部又产生与磁场方向垂直的横向电流，进而使熔池中的带电颗粒和带电流体受到向上的洛伦兹力。
具体实施中，磁场发生装置2的结构为：线圈212绕设于铁芯211上，形成通电磁极，冷却水管213绕设于线圈212外部，外壳214包覆于线圈212和冷却水管213外部，安装于铁芯211上，构成磁场发生单元21；
两个磁场发生单元21与设于底座11上的U形铁22构成磁场发生装置2；两个线圈212的规格参数相同、绕向一致并且通过线圈导线电性连通，U形铁22的开口朝上，磁场发生装置2产生的磁场为闭合磁路。
具体实施中，铁芯211螺纹配合于对应的侧板12上设置的安装孔内，其轴线水平设置，铁芯211的外端可拆卸连接用于限位的端板215。
具体实施中，铁芯211的材料为圆柱形的铸造铝钴镍合金。
具体实施中，外壳214由铝合金制成。
实施例1
利用上述的电磁场辅助装置，本实施例按如下步骤制备分布可控的WC增强金属基复合涂层：
步骤1、待熔覆基材尺寸为120mm×60mm×15mm，材料为20#钢。先将基材的表面进行打磨、清洗、干燥处理，然后安置在电磁场辅助装置可升降工作台的台面上，并用夹头固定。
步骤2、打开磁场发生装置的励磁电源，通入3A直流电，产生磁场强度约为120mT的横向稳态磁场，与工件的纵向截面垂直。
步骤3、将粉末粒度为100～300目的Ni60粉末、粉末粒度为100～200目的球形镍包WC粉末加入等离子喷焊机的相应送粉器内，打开气源，通保护气，开启送粉器，进行等离子熔覆。
等离子熔覆的工艺参数为：熔覆所使用的工作气为氩气，工作气压为0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为120A，焊接行走速度为70mm/min，焊枪摆宽为16mm，焊枪摆动速度为1400mm/min，镍基自熔性合金粉末送粉量为20g/min，球形镍包WC粉末送粉量为20g/min，保护气流速为600L/h，离子气流速为300L/h，送粉气流速为300L/h，焊枪的喷嘴与工件表面距离为12mm。
步骤4、在等离子熔覆的的过程中，由于导电夹头通过导线与等离子喷焊机的电源正极电性连通，焊枪内的钨极通过导线与等离子喷焊机的电源负极连通，使得工件同时受到喷焊电流的作用。如图1右上角所示为电流I、磁场B和所受洛伦兹力F的方向。
图3为本实施例所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度120mT、电流120A)的钨灯丝电镜扫描图，可以看出涂层中WC分布较为均匀，无沉底现象，其分布区域的最底部与融合界面之间的距离D约为420μm。
图5为本实施例所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度120mT、电流120A)的硬度曲线图，可以看出，WC主要分布在涂层中部区域，该区域硬度值约为1450HV，涂层底部存在一个硬度值约为700HV的缓冲带，能够有效避免融合界面处的应力集中，减少微裂纹等对比例1
为进行对比，本对比例按实施例1相同的方法制备WC增强金属基复合涂层，区别仅在于不开启磁场发生装置，即磁场强度为0mT。
图4为本对比例所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度0mT、电流120A)的钨灯丝电镜扫描图，可以看出涂层中无明显裂纹、气孔等缺陷，WC颗粒保持完整但集中分布在熔覆层与工件的融合界面处，这说明单纯的横向电流并不能调整WC颗粒的分布。
图5为本实施例所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度0mT、电流120A)的硬度曲线图，可以看出：融合截面处两侧的硬度差异十分大，WC主要分布在涂层底部，该区域硬度值约为1390HV，基材部分硬度值约为220HV；涂层中上部硬度值较低，耐磨性达不到预期效果。
对比例2
为进行对比，本对比例按实施例1相同的方法制备WC增强金属基复合涂层，区别仅在于工件两端不安装导电夹头，直接安放在工作台上，即通过工件的电流为纵向电流。
对所得样品进行测试表明：本实施例所制备的WC增强镍基复合涂层(磁场强度120mT、纵向电流120A)，其融合截面处两侧的硬度差异十分大，WC主要分布在焊层中下部的两侧，这说明单纯的磁场并不能调整WC颗粒的分布。
涂层下部区域WC分布较多，该区域硬度值约为1420HV；焊层中心WC分布较少，该区域硬度值约为1260HV；基材部分硬度值约为220HV；涂层中上部硬度值为980HV，耐磨性达不到预期效果。与实施例1相比，在横向稳态磁场和纵向电流共同作用下，WC分布均匀效果差。
对比上述实施例和对比例，可以证实电磁复合场能够有效调控WC在金属基基复合涂层中的分布，避免WC颗粒沉底。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电磁复合场辅助制备分布可控的WC增强金属基复合涂层的方法，其特征在于：以金属基自熔性合金粉末作为涂层基材、以WC颗粒粉末作为涂层增强相，通过等离子熔覆在待处理工件表面形成WC增强金属基复合涂层；
在等离子熔覆的过程中，对工件同时施加磁场和电场，使熔池中的带电颗粒和带电流体在磁场和电场的共同作用下，受到向上的洛伦兹力，避免WC颗粒沉底，从而使WC颗粒均匀分布在复合涂层中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属基自熔性合金粉末为铁基、镍基或钴基自熔性合金粉末中的一种，粉末粒度为100～300目；所述WC颗粒粉末为球形WC粉末，粉末粒度为100～300目；所述待处理工件为导电的铁磁性材料，相对磁导率大于100。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述等离子熔覆的工艺参数为：熔覆所使用的工作气为氩气，工作气压为0.2～0.3MPa，冷却水温度为23～27℃，喷焊电流为100～160A，焊接行走速度为30～80mm/min，焊枪摆宽为8～30mm，焊枪摆动速度为1000～1800mm/min，金属基自熔性合金粉末送粉量为10～50g/min，WC颗粒粉末送粉量为15～50g/min，保护气流速为600～800L/h，离子气流速为300～400L/h，送粉气流速为200～300L/h，焊枪的喷嘴与待处理工件表面距离为10～15mm。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于：所述磁场的强度为0.06～1T，所述电场中电流的大小等于喷焊电流。
5.一种用于权利要求1～4中任意一项所述方法的电磁场辅助装置，其特征在于：所述电磁场辅助装置的结构为：
两个侧板(12)平行直立连接于底板(11)上，构成机架(1)；磁场发生装置(2)安装于所述机架(1)上；所述磁场发生装置(2)的两个磁场发生单元(21)分别安装于两个侧板(12)上，两个所述磁场发生单元(21)中任一产生N磁极，另一产生S磁极，并形成位于两个所述侧板(12)之间的水平磁场；
可升降工作台(3)设于两个所述磁场发生装置(2)之间，其台面(31)上设有一对夹头(32)；所述夹头(32)中的一个为导电夹头，并通过导线(4)与等离子喷焊机的电源正极电性连通，所述等离子喷焊机的焊枪(5)内的钨极通过导线(4)与等离子喷焊机的电源负极连通；待熔覆工件(6)置于所述台面(31)上，装配于一对所述夹头(32)之间；
工作时，正电荷依次运动经过电源正极、导电夹头、待熔覆工件(6)、等离子熔覆过程中待熔覆工件(6)和焊枪(5)之间形成的导电等离子弧、钨极和电源负极，形成沿正电荷运动路径方向的电流；所述水平磁场的方向与所述导电夹头的设置相适应，使所述待熔覆工件(6)受到的洛伦兹力向上。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述磁场发生装置(2)的结构为：
线圈(212)绕设于铁芯(211)上，形成通电磁极；冷却水管(213)绕设于所述线圈(212)外部；外壳(214)包覆于所述线圈(212)和所述冷却水管(213)外部，安装于所述铁芯(211)上，构成所述磁场发生单元(21)；
两个所述磁场发生单元(21)与设于所述底座(11)上的U形铁(22)构成所述磁场发生装置(2)；两个所述线圈(212)的规格参数相同、绕向一致并且通过线圈导线电性连通，所述U形铁(22)的开口朝上，所述磁场发生装置(2)产生的磁场为闭合磁路。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述铁芯(211)螺纹配合于对应的所述侧板(12)上设置的安装孔内，其轴线水平设置，所述铁芯(211)的外端可拆卸连接用于限位的端板(215)。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述铁芯(211)的材料为圆柱形的铸造铝钴镍合金。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述外壳(214)由铝合金制成。
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