CN114855165B - 一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法，将所要制备涂层的源材料颗粒与锌颗粒混合均匀；然后利用粉末冶金的方式将混合物压制成棒状电极；将棒状电极放入绝缘套筒中；将装在套筒中的棒状电极和基体材料分别接脉冲电源的两极，并在惰性气体的保护下进行放电。放电过程中将产生高温的等离子通道，由于锌的熔点较低，大量的源材料颗粒将从棒装电极脱落而粘附到基体表面对应的区域，同时由于锌的沸点也较低，一部分锌颗粒将被气化，从而喷射更多的颗粒进入基体表面。最终在基体表面获得所需的涂层。本发明利用放电产生的高温熔化基体和靶材，涂层可与基体表面形成冶金结合，同时由于在靶材中添加了低熔点和低沸点的锌颗粒，可大幅提高沉积效率。
Description
技术领域
本发明涉及涂层制备技术领域，具体涉及一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法。
背景技术
利用电火花放电制备涂层的技术也称为电火花沉积技术，其是一种用于金属材料表面损伤修复与强化的新方法，该方法具有设备简单、操作方便、应用范围广的优点，其合金修复层具有较高的耐磨性及良好的耐腐蚀性，具有较好的实用价值和广泛的应用前景。但是电火花沉积也存在一些缺点，特别是沉积层厚度不够，效率低等，造成这些缺点的主要原因是在单次放电过程中，电极材料的熔化量太少，如果需要提高涂层的厚度，需要反复多次在同一区域进行放电，但是这种方式容易造成涂层中大量裂纹的存在，从而影响涂层质量，同时效率低。
发明内容
解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法，所述技术方案可兼顾电火花沉积的优点，同时提高涂层的厚度和效率。
技术方案：一种基于电火花放电的涂层制备装置，包括棒状电极、绝缘套筒、基体、工作台、脉冲电源和进给系统，所述基体设于工作台上表面，工作台用于控制基体的移动，所述绝缘套筒套设于棒状电极外表面，并且，绝缘套筒的底端低于棒状电极的底端，所述进给系统分别与棒状电极和绝缘套筒的顶部连接，进给系统用于控制棒状电极的上下移动，绝缘套筒的底端设于基体的上部，脉冲电源的正极与棒状电极连接，脉冲电源的负极与基体连接。
作为优选，所述基体与绝缘套筒的底端的距离为1-5 mm。
作为优选，所述棒状电极的直径为1-10 mm，棒状电极的底端与绝缘套筒的底端的距离为2-5 mm。
作为优选，所述基于电火花放电的涂层制备装置还包括惰性气体，所述惰性气体的出气端设于基体与绝缘套筒之间空隙的一侧，用于保护棒状电极和基体，避免氧化。
基于上述装置一种基于电火花放电的涂层制备方法，步骤如下：
步骤一.将所要制备涂层的源材料颗粒与锌颗粒混合均匀，利用粉末冶金的方式，将混合物压制成棒状电极，并将棒状电极放入绝缘套筒中，然后将棒状电极和绝缘套筒与进给系统连接；
步骤二.将棒状电极和基体分别与脉冲电源的正负极连接；
步骤三.涂层准备制备过程中，棒状电极在进给系统的带动下逐步接近基体，直至产生放电，放电过程中将产生高温的等离子通道，由于锌的熔点较低，源材料颗粒从棒状电极底端脱落进而粘附到基体表面对应的区域，由于锌的沸点也比较低，部分锌颗粒被气化，从而喷射更多的源材料颗粒进入基体表面，进而实现涂层的制备。
作为优选，所述步骤一中源材料颗粒为单质金属颗粒和/或合金金属颗粒，所述源材料颗粒和锌颗粒的直径小于50 μm，源材料颗粒和锌颗粒的体积分数为5%-50%。
作为优选，所述步骤二中脉冲电源为高低压复合电源，高压为3000-5000 V，电流为0.5-1 A，低压为30-50 V，脉冲宽度在1 -1000μs，占空比在1-10%，峰值电流在10-200A。
作为优选，所述绝缘套筒为陶瓷材料。
作为优选，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
有益效果：1）本发明提供的一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法，利用粉末冶金的方式将锌颗粒和涂层材料颗粒的混合物压制成棒装电极，利用锌材料的低熔点和低沸点的特性，由于锌颗粒在放电过程大量熔化和气化，源材料颗粒能大量从棒状电极掉落和喷射进入放电区，最终粘附在基体表面，从而有效提高了沉积厚度和效率；
2）本发明提供的一种基于电火花放电的涂层制备装置和方法，具有适用性广的优点，可以通过改变各种颗粒的配比，可实现多种涂层的制备。
附图说明
图1为本发明基于电火花放电的涂层制备装置结构示意图；
图2为工作台运动轨迹示意图；
图3为电压波形示意图。
图中各数字标号代表如下：1.绝缘套筒；2.棒状电极；3.惰性气体；4.基体；5.工作台；6脉冲电源；7.进给系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种基于电火花放电的涂层制备装置，参见图1，包括棒状电极2、绝缘套筒1、基体4、工作台5、脉冲电源6和进给系统7，所述基体4设于工作台5上表面，工作台5用于控制基体4的移动，所述绝缘套筒1套设于棒状电极2外表面，并且，绝缘套筒1的底端低于棒状电极2的底端，所述进给系统7分别与棒状电极2和绝缘套筒1的顶部连接，进给系统7用于控制棒状电极2的上下移动，绝缘套筒1的底端设于基体4的上部，脉冲电源6的正极与棒状电极2连接，脉冲电源6的负极与基体4连接。
基于上述装置一种基于电火花放电的涂层制备方法，步骤如下：
步骤一.将所要制备涂层的源材料颗粒与锌颗粒混合均匀，利用粉末冶金的方式，将混合物压制成棒状电极2，并将棒状电极2放入绝缘套筒1中，然后将棒状电极2和绝缘套筒1与进给系统7连接；
步骤二.将棒状电极2和基体4分别与脉冲电源6的正负极连接；
步骤三.涂层准备制备过程中，棒状电极2在进给系统7的带动下逐步接近基体4，直至产生放电，放电过程中将产生高温的等离子通道，由于锌的熔点较低，源材料颗粒从棒状电极2底端脱落进而粘附到基体4表面对应的区域，由于锌的沸点也比较低，部分锌颗粒被气化，从而喷射更多的源材料颗粒进入基体表面，进而实现涂层的制备。
实施例2
同实施例1，区别在于，所述基体4与绝缘套筒1的底端的距离为1-5 mm。
所述棒状电极2的直径为1-10 mm，棒状电极2的底端与绝缘套筒1的底端的距离为2-5 mm。
所述基于电火花放电的涂层制备装置还包括惰性气体3，所述惰性气体3的出气端设于基体4与绝缘套筒1之间空隙的一侧，用于保护棒状电极2和基体4，避免氧化。
所述步骤一中源材料颗粒为单质金属颗粒和/或合金金属颗粒，所述源材料颗粒和锌颗粒的直径小于50 μm，源材料颗粒和锌颗粒的体积分数为5%-50%。
所述步骤二中脉冲电源为高低压复合电源，高压为3000-5000 V，电流为0.5-1 A，低压为30-50 V，脉冲宽度在1 -1000μs，占空比在1-10%，峰值电流在10-200A。
所述绝缘套筒1为陶瓷材料。所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
实施例3
同实施例2，区别在于，基体4材料为不锈钢，尺寸为10mm×10mm×5mm。源材料颗粒为镍颗粒。所述绝缘套筒1为氧化锆套筒。
将平均直径为20 μm的镍颗粒100 g和平均直径为10 μm的锌颗粒20 g均匀混合，并利用粉末冶金设备压制成直径为5 mm的棒状电极2，然后放入内径为5mm，外径为15mm的氧化锆套筒中，氧化锆套筒底端与基体4上表面的距离为1.5mm，棒状电极2接脉冲电源6的正极，基体4接负极，脉冲电源6的高压3000 V，电流0.5 A，低压30 V，脉冲宽度100 μs，占空比5%，峰值电流为100 A，电压波形示意图参见图3，并利用工作台5带动基体4按图2所示的轨迹运动，轨迹的长度L为10 mm，间隔D为2 mm，运动速度为0.1 mm/s，最终实现了涂层的制备。
对制备的涂层经过形貌测试，测试结果显示，涂层的平均厚度为0.8 mm，涂层中锌的含量约为5 wt.%，结合强度约为20 N/mm2。
实施例4
同实施例2，区别在于，所述基体4材料为不锈钢，尺寸为10mm×10mm×5mm。源材料颗粒为镍颗粒。所述绝缘套筒1为氧化锆套筒。
将平均直径为20μm的镍颗粒100g和平均直径为10μm的锌颗粒40g均匀混合，并利用粉末冶金设备压制成直径为5mm的棒状电极2，然后放入内径为5mm，外径为15mm的氧化锆套筒中，氧化锆套筒底端与基体4上表面的距离为1.5mm，棒状电极2接脉冲电源6的正极，基体4接负极，脉冲电源6的高压3000V，电流0.5A，低压30V，脉冲宽度100μs，占空比5%，峰值电流为100A，电压波形示意图参见图3。并利用工作台5带动基体4按图2所示的轨迹运动，轨迹的长度L为10 mm，间隔D为2 mm，运动速度为0.1 mm/s，最终实现了涂层的制备。
对制备的涂层经过形貌测试，测试结果显示，涂层的厚度为1 mm，涂层中锌的含量约为11.8 wt.%，结合强度约为12 N/mm2。
实施例5
同实施例2，区别在于，所述基体4材料为不锈钢，尺寸为10mm×10mm×5mm。源材料颗粒为镍颗粒。所述绝缘套筒1为氧化锆套筒。
将平均直径为20 μm的镍颗粒100 g和平均直径为10 μm的锌颗粒60 g均匀混合，并利用粉末冶金设备压制成直径为5 mm的棒状电极2，然后放入内径为5 mm，外径为15 mm的氧化锆套筒中，氧化锆套筒底端与基体4上表面的距离为1.5 mm，棒状电极2接脉冲电源6的正极，基体4接负极，脉冲电源6的高压3000 V，电流0.5 A，低压30 V，脉冲宽度100 μs，占空比5%，峰值电流为100 A，电压波形示意图参见图3。并利用工作台5带动基体4按图2所示的轨迹运动，轨迹的长度L为10 mm，间隔D为2 mm，运动速度为0.1 mm/s，最终实现了涂层的制备。
对制备的涂层经过形貌测试，测试结果显示，涂层的厚度为1.3 mm，涂层中锌的含量约为15 wt.%，结合强度约为3 N/mm2。
实施例6
同实施例2，区别在于，所述基体4材料为不锈钢，尺寸为10mm×10mm×5mm。源材料颗粒为Ni-Cr-Al合金颗粒。所述绝缘套筒1为氧化锆套筒。
将平均直径为50 μm的Ni-Cr-Al合金颗粒颗粒100 g和平均直径为20 μm的锌颗粒20 g均匀混合，并利用粉末冶金设备压制成直径为8 mm的棒状电极2，然后放入内径为8mm，外径为25 mm的氧化锆套筒中，氧化锆套筒底端与基体4上表面的距离为2 mm，棒状电极2接脉冲电源6的正极，基体4接负极，脉冲电源6的高压4000 V，电流1 A，低压30 V，脉冲宽度100 μs，占空比5%，峰值电流为150 A，电压波形示意图参见图3。并利用工作台5带动基体4按图2所示的轨迹运动，轨迹的长度L为10 mm，间隔D为3 mm，运动速度为0.15 mm/s，最终实现了涂层的制备。
对制备的涂层经过形貌测试，测试结果显示，涂层的平均厚度为1.5 mm，涂层中锌的含量约为5 wt.%，结合强度约为15N/mm2。
Claims (8)
1.一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述制备方法基于电火花放电的涂层制备装置，所述装置包括棒状电极（2）、绝缘套筒（1）、基体（4）、工作台（5）、脉冲电源（6）和进给系统（7），所述基体（4）设于工作台（5）上表面，工作台（5）用于控制基体（4）的移动，所述绝缘套筒（1）套设于棒状电极（2）外表面，并且，绝缘套筒（1）的底端低于棒状电极（2）的底端，所述进给系统（7）分别与棒状电极（2）和绝缘套筒（1）的顶部连接，进给系统（7）用于控制棒状电极（2）的上下移动，绝缘套筒（1）的底端设于基体（4）的上部，脉冲电源（6）的正极与棒状电极（2）连接，脉冲电源（6）的负极与基体（4）连接；
所述制备方法步骤如下：
步骤一.将所要制备涂层的源材料颗粒与锌颗粒混合均匀，利用粉末冶金的方式，将混合物压制成棒状电极（2），并将棒状电极（2）放入绝缘套筒（1）中，然后将棒状电极（2）和绝缘套筒（1）与进给系统（7）连接；
步骤二.将棒状电极（2）和基体（4）分别与脉冲电源（6）的正负极连接；
步骤三.涂层准备制备过程中，棒状电极（2）在进给系统（7）的带动下逐步接近基体（4），直至产生放电，放电过程中将产生高温的等离子通道，由于锌的熔点较低，源材料颗粒从棒状电极（2）底端脱落进而粘附到基体（4）表面对应的区域，由于锌的沸点也比较低，部分锌颗粒被气化，从而喷射更多的源材料颗粒进入基体表面，进而实现涂层的制备。
2. 根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述基体（4）与绝缘套筒（1）的底端的距离为1-5 mm。
3. 根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述棒状电极（2）的直径为1-10 mm，棒状电极（2）的底端与绝缘套筒（1）的底端的距离为2-5 mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述基于电火花放电的涂层制备装置还包括惰性气体（3），所述惰性气体（3）的出气端设于基体（4）与绝缘套筒（1）之间空隙的一侧，用于保护棒状电极（2）和基体（4），避免氧化。
5. 根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤一中源材料颗粒为单质金属颗粒和/或合金金属颗粒，所述源材料颗粒和锌颗粒的直径小于50 μm，源材料颗粒和锌颗粒的体积分数为5%-50%。
6. 根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述步骤二中脉冲电源为高低压复合电源，高压为3000-5000 V，电流为0.5-1 A，低压为30-50 V，脉冲宽度在1 -1000μs，占空比在1-10%，峰值电流在10-200A。
7.根据权利要求1所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述绝缘套筒（1）为陶瓷材料。
8.根据权利要求7所述的一种基于电火花放电的涂层制备方法，其特征在于，所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷或氧化锆陶瓷。
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