CN111763938A - 高硬度材料涂层结构及其制备方法 - Google Patents

高硬度材料涂层结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种高硬度材料涂层结构及其制备方法，高硬度材料涂层结构包括：利用非晶合金作为基底或过渡层；在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，在所述非晶合金基底或过渡层上得到高硬度材料致密涂层。在冷喷涂过程将高硬度材料粉末以超过临界沉积速度的速度撞击于非晶合金基底或过渡层，撞击过程引起非晶表面大的剪切形变及剪切软化，从而有效地增强非晶合金基底或过渡层和喷涂颗粒之间的结合强度，明显抑制颗粒的脱落，从而可以制备得到致密且高硬度的涂层。

Description

高硬度材料涂层结构及其制备方法
技术领域
本公开属于合金材料技术与表面冷喷涂技术领域，涉及一种高硬度材料涂层结构及其制备方法。
背景技术
冷喷涂技术是一种以预热压缩气体(氮气、氨气、空气或混合气体)为加速介质，带动金属颗粒在固态下以极高的速度撞击工件基体，通过颗粒发生强烈塑性变形的方式沉积在基体表面形成涂层的低温喷涂技术。冷喷涂与热喷涂最大的区别在于颗粒加热程度不同导致其撞击工件表面之前的状态不同。传统热喷涂技术的三大热游温度分别为：燃烧火焰，温度均高于2000℃；电弧，温度达到5000℃以上；等离子体，例如钯等离子的温度高达16000℃，因此热喷涂的颗粒在沉积过程中熔化，并伴随熔滴的撞击、焊合、冷却、凝固、相变等冶金过程，而冷喷涂的颗粒在沉积过程中不发生熔化，固体颗粒在极高的应变和应变速率条件下，发生绝热剪切失稳，从而引起塑性流变并形成机械咬合。
冷喷涂颗粒沉积过程中存在一个临界沉积速度，只有当颗粒的飞行速度超过该临界沉积速度，颗粒对基体的冲蚀作用才能转化为穿孔效应从而沉积形成涂层。通常颗粒的硬度越高，其临界沉积速度就越高，即粉末颗粒硬度越高越难沉积，因此高硬度合金不宜利用冷喷涂技术有效沉积涂层。低硬度纯金属或合金可以利用冷喷涂技术制备涂层，但涂层的耐磨性能往往达不到使用要求。由于冷喷涂技术依靠高压气流使颗粒的飞行速度超过临界沉积速度来获得涂层，所以提高颗粒的飞行速度是制备高性能涂层的关键。颗粒的飞行速度主要与载气及载气预热温度有关。常用载气中氨气的加速效果最优，但成本过高；氮气最经济，但加速效果差。载气预热温度主要为了增强气体分子在喷嘴收缩段的膨胀效果，从而使气流在扩张段达到最大的流速，但是载气预热温度的提高受到沉积材料、设备的限制，而且无论如何升级设备，改进喷嘴结构，优化工艺参数，采用单一的冷喷涂技术依然无法沉积制备较高硬度的合金材料涂层，大大制约了喷涂技术的推广。
目前大部分研究主要通过调整冷喷涂的工艺参数，如载气预热温度和载气压力来改善高硬度的合金材料涂层的沉积效果。有的研究将制备得到的球形粉末高速反复撞击在带有相应规格表面凸起的基体上，使金属粉末表面形成凹坑，通过改善粉末表面形貌抑制流动分离的发生，提高粉末在喷涂过程中的飞行速率，达到提高涂层致密度的效果，但该方法繁琐冗长，适用范围有限，且并未从根本上通过改变冷喷涂粉末的硬度去改善喷涂的效果。
因此有必要提出一种可以制备高硬度合金致密涂层的方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种高硬度材料涂层结构及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种高硬度材料涂层结构的制备方法，包括：利用非晶合金作为基底或过渡层；在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，在所述非晶合金基底或过渡层上得到高硬度材料致密涂层。
在本公开的一实施例中，所述非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃。
在本公开的一实施例中，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％；
所述高硬度材料粉末的粉末颗粒的特征尺寸为0.7μm～2μm；
所述高硬度材料涂层中颗粒的尺寸为1μm～5μm。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％。
在本公开的一实施例中，所述在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，包括：将高硬度材料粉末送入粉末加料器或会聚-扩散喷枪中进行喷涂；
其中，以氮气或压缩空气作为喷涂气体，气压为100～200个大气压；粉末加料器的压力设定为比主气流的压力大50个大气压，所述主气流包括携带有高硬度材料粉末的喷涂气体；
优选的，所述压缩空气的气压在15个大气压以上。
在本公开的一实施例中，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，该碳化钨合金粉末的制备方法包括：按照预设成分将碳和钨的原料放入真空感应炉中进行熔炼，分别进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经过干燥和过筛，得到碳化钨合金粉末粗品；将所述碳化钨合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温；将水淬后的碳化钨合金粉末粗品进行氢气还原，得到碳化钨合金粉末。
在本公开的一实施例中，所述熔炼的温度为1400℃～1550℃；和/或，所述氢气还原的温度为200℃～300℃，还原时间为1h～3h；和/或，
所述固溶处理的温度为1050℃～1100℃；保温时间为1h～2h。
在本公开的一实施例中，所述雾化处理的方法为真空气雾化法或等离子旋转电极法。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末粗品为球形或类球形，粒度小于5μm。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末的硬度为170～200。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
根据本公开的另一个方面，提供了一种高硬度材料涂层结构，所述高硬度材料涂层结构包括：非晶合金基底或过渡层；以及在非晶合金基底或过渡层上形成的高硬度材料涂层。
在本公开的一实施例中，通过在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末以形成高硬度材料致密涂层；
可选的，所述非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃；
可选的，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％；
可选的，所述碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％；
可选的，所述碳化钨合金粉末的硬度为170～200；
可选的，所述碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的高硬度材料涂层结构及其制备方法，具有以下有益效果：
利用非晶合金作为基底或过渡层，在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，由于非晶合金允许更大的局域剪切变形，在冷喷涂过程将高硬度材料粉末以超过临界沉积速度的速度撞击于非晶合金基底或过渡层，撞击过程引起非晶表面大的剪切形变及剪切软化，从而有效地增强非晶合金基底或过渡层和喷涂颗粒之间的结合强度，明显抑制颗粒的脱落，从而可以制备得到致密且高硬度的涂层。
附图说明
图1为根据本公开一实施例所示的高硬度材料涂层的制备方法示意图。
图2为根据本公开一实施例所示高硬度材料涂层的制备方法流程图。
图3为采用本公开实施例所示的高硬度材料涂层的制备方法制备得到的高硬度材料涂层的表面形貌SEM图谱。
图4为根据本公开实施例的喷枪内气体速度与轴向位置的关系图。
图5为根据本公开实施例的颗粒轴向速度与颗粒尺寸的关系图。
图6为根据本公开实施例的高硬度材料涂层样品的照片示意图，其中，(a)为样品A的照片，(b)为样品B的照片，(c)为样品C的照片，(d)为样品D的照片。
图7为如图6所示的高硬度材料涂层样品的表面形貌SEM图谱，其中，(a)为样品A的SEM图谱，(b)为样品B的SEM图谱，(c)为样品C的SEM图谱，(d)为样品D的SEM图谱。
图8为如图6所示的高硬度材料涂层样品在二次电子模式下的微观结构，(a1)为样品A的微观结构；(a2)为样品A在更高倍数下的微观结构；(b1)为样品B的微观结构；(b2)为样品B在更高倍数下的微观结构；(c1)为样品C的微观结构；(c2)为样品C在更高倍数下的微观结构；(d1)为样品D的微观结构；(d2)为样品D在更高倍数下的微观结构。
图9为如图6所示的高硬度材料涂层样品的横截面在背景电子模式下的SEM图谱，其中，(a)为样品A的SEM图谱，(b)为样品B的SEM图谱，(c)为样品C的SEM图谱，(d)为样品D的SEM图谱。
具体实施方式
本公开提供了一种高硬度材料涂层结构及其制备方法，利用非晶合金作为基底或过渡层，在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，由于非晶合金允许更大的局域剪切变形，在冷喷涂过程将高硬度材料粉末以超过临界沉积速度的速度撞击于非晶合金基底或过渡层，撞击过程引起非晶表面大的剪切形变及剪切软化，从而有效地增强非晶合金基底或过渡层和喷涂颗粒之间的结合强度，明显抑制颗粒的脱落，形成了致密、均匀且高硬度的涂层。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种高硬度材料涂层结构的制备方法。
图1为根据本公开一实施例所示的高硬度材料涂层的制备方法示意图。图2为根据本公开一实施例所示高硬度材料涂层的制备方法流程图。
本实施例中，实现本公开实施例的制备方法的设备可以是商业的冷动力喷涂系统。参照图1所示，冷动力喷涂系统包括：粉末加料器、气体供应装置、气体加热装置以及喷枪。其中，喷枪包括两个输入端和一个输出端。粉末加料器与喷枪的一个输入端连接，气体加热装置与喷枪的另一个输入端连接。气体供应装置与气体加热装置连接，由气体供应装置供应的喷涂气体经过气体加热装置进行加热后送入至喷枪中。由粉末加料器供应的粉末也送入至喷枪中。
参照图1所示，喷涂时主要调节喷嘴喷出的主气流的压力和温度。主气流包括喷涂气体携带的粉末。本公开实施例的高硬度材料涂层在制备过程中，主气流的压力是可调节的，例如主气流的压力可以是100psi、200psi或者为介于100psi～200psi之间的任意数值，例如150psi。粉末加料器的压力也是可调节的。在一实施例中，可以设定粉末加料器的压力为比主气流的压力大50psi。在优选实施例中，主气流的压力为100psi～200psi，温度的取值范围为250K～500K。
本公开的实施例中，喷枪为会聚-扩散喷枪，该会聚-扩散喷枪用于加速喷涂气体携带的粉末。在上述冷动力喷涂系统，该会聚-扩散喷枪是可移动的，可以逐渐靠近待喷涂的基底。喷嘴的移动速度是可调节的，示例性的喷嘴的移动速度可以为1cm/s。喷涂的路径是可以进行编程的。
参照图1所示，本实施例中，待喷涂的基底为非晶合金基底/过渡层(含义为非晶合金作为基底，或者非晶合金作为过渡层)，会聚-扩散喷枪到非晶合金基底/过渡层之间的距离是可调节的。在一实施例中，例如会聚-扩散喷枪到非晶合金基底/过渡层之间的距离(沿着图1中的左右方向)为8mm～15mm中的任意数值，例如距离可以为10mm。
参照图2所示，本公开的高硬度材料涂层结构的制备方法，包括：步骤S11和步骤S12。
在步骤S11，利用非晶合金作为基底或过渡层。
在步骤S12，在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，在该非晶合金基底或过渡层上得到高硬度材料致密涂层。
本实施例中，在步骤S11中，所述非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃。本公开中，用于喷涂的非晶合金基底或过渡层的形状不限，本实施例中以圆盘状进行示例，圆盘的直径例如为8mm、厚度为4mm。在开始喷涂之前需要抛光非晶合金基底或过渡层的用于喷涂粉末的表面。在步骤S12中采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末的具体参数设置可根据颗粒速度的一维模型进行初步评估。具体参数包括主气流的压力和温度。
在一实施例中，高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％。
在一实施例中，碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％。
在一实施例中，高硬度材料粉末可以是工业上或者商用的喷涂粉末，例如为工业用的碳化钨粉末。
在一实施例中，高硬度材料粉末的粉末颗粒的特征尺寸为0.7μm～2μm。
在一实施例中，高硬度材料涂层中颗粒的尺寸为1μm～5μm。
在本公开的一实施例中，参照图1和图2所示，所述在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末的步骤S12，包括：将高硬度材料粉末送入粉末加料器或会聚-扩散喷枪中进行喷涂。其中，以氮气或压缩空气作为喷涂气体，气压为100个或200个大气压；粉末加料器的压力设定为比主气流的压力大50个大气压，所述主气流包括携带有高硬度材料粉末的喷涂气体。
在一实施例中，压缩空气的气压在15个大气压以上。
在一具体实例中，采用步骤S11、S12以及按照表1中的喷涂的压力和温度条件参数制备得到四个样品，这四个样品分别为样品A、样品B、样品C和样品D。本实例中，上述四个样品中每个样品的喷涂时间为4秒。
表1各个样品的压力和温度参数示例
Figure BDA0002561971060000071
喷涂完成之后，针对上述样品进行了一系列的表征。通过一维模型估计颗粒速度；通过数码相机、光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)表征涂层的形貌特征；通过维氏硬度计研究WC涂层的机械性能。
图3为采用本公开实施例所示的高硬度材料涂层的制备方法制备得到的高硬度材料涂层的表面形貌SEM图谱。
参照图3所示，采用本公开实施例所示的高硬度材料涂层中颗粒的尺寸大致落在1μm～3μm的范围内。
下面基于等熵气体流体模型，将喷枪中的气体速度可表示为以下公式：
Figure BDA0002561971060000072
其中，vg为气体速度；M为Mach常数；γ是比热容之比；R是气体常数；T为喷涂气体的温度；MW是气体的分子量。
图4为根据本公开实施例的喷枪内气体速度与轴向位置的关系图。利用上述公式(1)计算得到上述样品A～D对应的气体速度估计如图4所示，这里的轴向指的是沿着喷枪轴向，在图1中沿着左右方向，样品A和样品C的气体速度曲线重合，样品B和样品D的气体速度曲线重合，沿着轴向的某一位置对应的样品B和样品D的气体速度均高于样品A和样品C的气体速度，由此可见，提高喷涂的气体温度可以明显提高气体速度。
进一步，为了估计粒子(颗粒，全文中，二者含义等同)沿着轴向的速度，首先假设这些喷涂气体携带的粉末是球形粒子。根据一维粒子动力学模型，颗粒轴向速度vp可以采用以下公式计算：
Figure BDA0002561971060000081
其中，D为颗粒直径；x为颗粒的轴向位置；ρp为粒子密度；P0是静态压力。
图5为根据本公开实施例的颗粒轴向速度与颗粒尺寸的关系图。利用上述公式(2)计算得到颗粒轴向速度与粒子直径的关系如图5所示，结果表明，气体温度高低对于颗粒轴向速度的影响不大。
然而，加热气体可以提高粒子甚至基体的温度，从而提高其塑性。实际情况下，工作粒子不是球形的，而是不规则的。从空气动力学的角度来看，非球形颗粒的阻力系数大于球形颗粒的阻力系数，因此颗粒的不规则形状有利于颗粒的加速。基体表面的第一层冷喷涂涂层不仅与颗粒速度有关，而且和颗粒与基体之间的性能差异有关。因此，第一层的理论预测在实际应用中存在一定的困难。但后续层的形成是可以有效预见的。
根据已有理论，将工艺和材料参数对临界速度的影响归纳为如下表达式：
Vcri＝667-0.014ρp+0.08Tm+10-7σμ-0.4T (3)
其中，Tm为颗粒的熔化温度(单位：℃)；σμ为颗粒极限拉伸强度或抗拉强度；T为颗粒从喷枪中刚喷出时的温度。
WC-WC之间形成涂层(coating)的临界速度660m/s，即碳化钨产生足够大塑性形变从而在碳化钨基底上形成涂层的速度。本公开实施例中，在非晶合金基底上形成致密涂层的临界速度明显小于660m/s。
参照实际制备得到的样品A～D进行分析可以进行工艺上的优化。
图6为根据本公开实施例的高硬度材料涂层样品的照片示意图，其中，(a)为样品A的照片，(b)为样品B的照片，(c)为样品C的照片，(d)为样品D的照片。
参照图6中(a)所示，在样品A中，只有一半的表面积覆盖有涂层。通过分析可知，由于样品A的颗粒速度较低，只有一半的表面积具有涂层，涂层中各个颗粒排布较为疏松。随着气体温度的增加，基体表面形成了不均匀的涂层，但由于沿着轴向的颗粒轴向速度与样品A类似，同样相对较低，因此基体边缘仍然裸露无涂层覆盖，参照图6中(b)所示。当喷涂速度达到临界值时，得到均匀致密的涂层，如图6中(c)所示。然而，一旦速度超过临界值，涂层就会被跟随的颗粒侵蚀，并且出现了许多凹坑，如图6中(d)所示。
图7为如图6所示的高硬度材料涂层样品的表面形貌SEM图谱，其中，(a)为样品A的SEM图谱，(b)为样品B的SEM图谱，(c)为样品C的SEM图谱，(d)为样品D的SEM图谱。图7中，标尺的尺寸为100μm。
通过使用光学显微镜研究进一步的细节。在样品A的中心存在明显的边界，如图7中(a)的虚线所示。在左侧形成淤泥涂层，一些大颗粒在右侧插入基质。随着气体温度的增加，基体表面形成了形成相对致密但不均匀的涂层，不过涂层上仍留有几个大颗粒，参照图7中(b)所示。一旦喷涂速度达到临界值(critical value)，就可以产生均匀的涂层而没有明显的缺陷，如图7中(c)所示。然而，速度进一步增大并超过侵蚀成形涂层的临界值时，产生了许多超过200μm的空腔，参照图7中(d)所示。
图8为如图6所示的高硬度材料涂层样品在二次电子模式下的微观结构，(a1)为样品A的微观结构；(a2)为样品A在更高倍数下的微观结构；(b1)为样品B的微观结构；(b2)为样品B在更高倍数下的微观结构；(c1)为样品C的微观结构；(c2)为样品C在更高倍数下的微观结构；(d1)为样品D的微观结构；(d2)为样品D在更高倍数下的微观结构。
对比图8中(a2)、(b2)和(c2)可知尽管在喷涂期间低速度导致涂层中产生一些薄弱区域，如图8中(a1)的暗区所示，但样品A中形成的涂层比样品B和样品C中形成的涂层的密度大得多，即样品A的致密性高于样品B和样品C。样品C中的涂层看起来比其他涂层更均匀，且涂层不像样品A和D那样致密，但它含有非常少的孔，对比参照图8中(c1)和(c2)与图8中(a1)、(a2)、(d1)和(d2)所示。样品D的涂层最致密，但出现了许多大颗粒和空腔，参照图8中(d1)和(d2)所示。
图9为如图6所示的高硬度材料涂层样品的横截面在背景电子模式下的SEM图谱，其中，(a)为样品A的SEM图谱，(b)为样品B的SEM图谱，(c)为样品C的SEM图谱，(d)为样品D的SEM图谱。
参照图9中(a)～(d)所示，所有样品都具有一个颗粒层的厚度小于1μm，这与计算结果一致。由图9中(a)可以看出，样品A的基底经历了非常微小的变形，只有非常细小的颗粒覆盖了基板。这有利于通过在样品A中的基底上附着细颗粒来形成涂层。参照图9中(b)所示，样品B的致密度和均匀性相较于样品A和C要差一些。根据图9中(c)所示的横截面图可以确定样品C中涂层的均匀度和密度，样品C的涂层均匀性比其他样品A、B、D的涂层均匀性更好，但是样品C的致密度比样品A的致密度要小。参照图9中(d)所示，由于高的粒子速度，样品D中的基底经受大的变形，但是由于大颗粒的侵蚀而没有形成致密且均匀的涂层。参照图9中(c)所示，尽管粒子速度低，但样品C中的基底仍然比样品B中的基底遭受更大的变形。除了颗粒速度，各个样品对应的气体温度也不同。考虑到金属玻璃基底中超塑性区域的存在，可以认为动能和气体温度的结合导致温度升高，并增强了样品C的大变形。因此，基于上述，主气流的压力优选为130psi～250psi，温度优选为250K～500K，例如为280K、300K、320K、350K、380K、400K、420K、450K等，上述取值范围包括端点值。喷涂时间一般用来增加涂层的厚度，一般致密涂层形成后很难增加厚度，所以在致密涂层形成后延长喷涂时间意义不大，可以预先根据实际喷涂工艺调节用于形成涂层的喷涂时间。
另外，对样品C的硬度进行了表征。通过维氏硬度计测试样品C中涂层的机械性能。进行硬度试验，对于500gf和1000gf的载荷分别执行10次，每次保持10s的时间。基底、粉末和涂层的硬度值均列于表2中。单片块状金属玻璃(BMG)基底的硬度在这些测试中显示出稳定的约530HV。另外，上述测试中，对应的涂层为喷涂时间为4s对应的单层涂层，用以说明不同喷涂条件对涂层的致密度和均匀性的影响。
表2基底、碳化钨粉末、涂层的硬度
Figure BDA0002561971060000111
另外，本公开的一实例还对本公开实施例的非晶合金作为基底或过渡层的制备方法与常规的制备工艺得到的涂层进行了对比，在相同的实验条件下，除了基底不同之外，其他参数条件包括温度、气流的压力、喷涂时间等均相同，对应在不锈钢基底喷涂产生颗粒尺寸大小的凹陷，喷涂颗粒脱落，涂层形貌显示涂层稀疏，且涂层的硬度不高；而在本公开实施例的非晶合金基底上喷涂制备得到的涂层具有较好的致密度和硬度。
在本公开的一实施例中，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，该碳化钨合金粉末的制备方法包括以下步骤(a)～(c)。
步骤(a)，按照预设成分将碳和钨的原料放入真空感应炉中进行熔炼，分别进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经过干燥和过筛，得到碳化钨合金粉末粗品。
在本公开的一实施例中，所述熔炼的温度为1400℃～1550℃，例如为1500℃。
步骤(b)，将所述碳化钨合金粉末粗品进行固溶处理，然后水淬至室温。所述固溶处理的温度为1050℃～1100℃，包括端点值，例如可以是1080℃；固溶处理进行保温的时间为1h～2h。
步骤(c)，将水淬后的碳化钨合金粉末粗品进行氢气还原，得到碳化钨合金粉末。
在本公开的一实施例中，进行氢气还原的温度为200℃～300℃中任意数，例如为220℃、240℃、250℃等。还原时间为1h～3h，例如可以是1h、2h、3h。
在本公开的一实施例中，所述雾化处理的方法为真空气雾化法或等离子旋转电极法。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末粗品为球形或类球形，粒度小于5μm。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末的硬度为170～200。
在本公开的一实施例中，所述碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种高硬度材料涂层结构。该高硬度材料涂层结构包括：非晶合金基底或过渡层；以及在非晶合金基底或过渡层上形成的高硬度材料涂层。
在本公开的一实施例中，通过在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末以形成高硬度材料致密涂层。
在一实施例中，非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃。
本实施例中，高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％。在一实施例中，碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％。
在本实施例中，碳化钨合金粉末的硬度为170～200。
在本实施例中，碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
综上所述，本公开提供了一种高硬度材料涂层结构及其制备方法，利用非晶合金作为基底或过渡层，在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，由于非晶合金允许更大的局域剪切变形，在冷喷涂过程将高硬度材料粉末以超过临界沉积速度的速度撞击于非晶合金基底或过渡层，撞击过程引起非晶表面大的剪切形变及剪切软化，从而有效地增强非晶合金基底或过渡层和喷涂颗粒之间的结合强度，明显抑制颗粒的脱落，形成了致密且高硬度的涂层。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高硬度材料涂层结构的制备方法，其特征在于，包括：
利用非晶合金作为基底或过渡层；
在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，在所述非晶合金基底或过渡层上得到高硬度材料致密涂层。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，
所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％；
所述高硬度材料粉末的粉末颗粒的特征尺寸为0.7μm～2μm；
所述高硬度材料涂层中颗粒的尺寸为1μm～5μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末，包括：将高硬度材料粉末送入粉末加料器或会聚-扩散喷枪中进行喷涂；
其中，以氮气或压缩空气作为喷涂气体，气压为100个或200个大气压；粉末加料器的压力设定为比主气流的压力大50个大气压，所述主气流包括携带有高硬度材料粉末的喷涂气体；
优选的，所述压缩空气的气压在15个大气压以上。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，该碳化钨合金粉末的制备方法包括：
按照预设成分将碳和钨的原料放入真空感应炉中进行熔炼，分别进行除渣、精炼、均匀化和雾化处理，再经过干燥和过筛，得到碳化钨合金粉末粗品；
将所述碳化钨合金粉末粗品进行固溶处理；
将固溶处理后的碳化钨合金粉末粗品进行水淬处理；
将水淬后的碳化钨合金粉末粗品进行氢气还原，得到碳化钨合金粉末。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述熔炼的温度为1400℃～1550℃；和/或，
所述氢气还原的温度为200℃～300℃，还原时间为1h～3h；和/或，
所述固溶处理的温度为1050℃～1100℃；保温时间为1h～2h。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述雾化处理的方法为真空气雾化法或等离子旋转电极法；
可选的，所述碳化钨合金粉末粗品为球形或类球形，粒度小于5μm；
可选的，所述碳化钨合金粉末的硬度为170～200；
可选的，所述碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
9.一种高硬度材料涂层结构，其特征在于，所述高硬度材料涂层结构包括：
非晶合金基底或过渡层；以及
在非晶合金基底或过渡层上形成的高硬度材料致密涂层。
10.根据权利要求9所述的高硬度材料涂层结构，其特征在于，通过在非晶合金基底或过渡层上采用冷喷涂工艺喷涂高硬度材料粉末以形成高硬度材料涂层；
可选的，所述非晶合金为纳米晶合金或金属玻璃；
可选的，所述高硬度材料粉末为碳化钨合金粉末，其中钨和碳的质量比为10∶1，该碳化钨合金粉末的纯度大于99.9％；
可选的，所述碳化钨合金粉末中，碳含量在6.1％～6.18％，单质碳杂质的含量小于0.05％，Fe的质量百分数为0.01％～0.02％，Mo的质量百分数小于0.01％；
可选的，所述碳化钨合金粉末的硬度为170～200；
可选的，所述碳化钨合金粉末的形状为球形、近球形或多角形。
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