CN116676552B - 一种抗冲击磨损的多层复合结构wc基涂层的制备方法 - Google Patents

一种抗冲击磨损的多层复合结构wc基涂层的制备方法

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Abstract

一种抗冲击磨损的多层复合结构WC基涂层的制备方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。利用热喷涂工艺交替地在基体材料上沉积高硬度和高韧性的WC‑Co涂层，在考虑加工效率和成本的前提下，通过控制层数和各层的厚度，最大程度降低外载荷作用下涂层的内应力，从而提高涂层整体在高速冲击和反复摩擦等负荷共同作用下的服役寿命。

Description

一种抗冲击磨损的多层复合结构WC基涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层的制备方法，属于金属陶瓷涂层技术领域。
背景技术
热喷涂WC-Co涂层具有结合强度高、高硬度、高耐磨性等优点，被广泛应用于航空航天、石油化工、冶金机械等领域，为金属零部件提供表面耐磨防护。然而，在一些应用领域，例如油气开采、硬岩破碎等，由于工件受到高速冲击和反复摩擦等负荷的共同作用，现有的单层均质WC基涂层在服役过程中，由磨损、断裂引起的材料剥落会显著加速。造成上述结果的主要原因是，单层均质涂层具有单一的成分，在高硬度和高韧性方面通常难以兼顾，当局部产生高应力形成微裂纹时，裂纹会快速扩展引起材料大块脱落。如何在冲击和磨损复合工况下保护基体材料，使工件的服役寿命更长，成为WC基涂层在许多工程应用中需要突破的技术难题。
针对单层均质WC基涂层的不足，本发明提出构筑多层复合结构WC基涂层的思路，即由两种及以上不同Co含量的WC基涂层交替生长形成多层复合结构涂层。通过合理设计各层的成分、厚度，可有效降低涂层内部应力，减少冲击载荷作用下裂纹的萌生，进而同时提高涂层的冲击韧性和耐磨性。
发明内容
本发明提供的制备方法的工艺流程和原理是：利用热喷涂工艺交替地在基体材料上沉积高硬度和高韧性的WC-Co涂层，在考虑加工效率和成本的前提下，通过控制层数和各层的厚度，最大程度降低外载荷作用下涂层的内应力，从而提高涂层整体在高速冲击和反复摩擦等负荷共同作用下的服役寿命。
本发明提供的一种具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将平均粒径为0.2-0.5μm、Co的质量分数为10％～12％的WC-Co复合粉末与聚乙二醇、去离子水按比例混合制成料浆，然后通过喷雾造粒、热处理、筛分制备得到粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；
(2)按步骤(1)工艺将平均粒径为0.5-1.0μm、Co的质量分数为17％～20％的WC-Co复合粉末团聚成粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；
(3)对工件表面待喷涂区进行除油、除锈和喷砂处理，采用超音速火焰喷涂工艺喷涂上述粉末，在喷砂后的工件表面采用步骤(1)和步骤(2)的喷涂粉末交替沉积不同Co含量的WC-Co涂层，涂层总厚度为200～300μm，层数设置为2～4层，低Co层和高Co层的厚度比值为3～4，最外层为低Co层，涂层冷却后即得到具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层。
本发明方法的技术特色和优势主要有：
(1)提出了一种基于热喷涂技术制备多层结构WC基涂层的创新方法，在不考虑工艺效率和成本的前提下，各层的成分结构和总层数均任意可调，此方法对于需求抗冲击磨损性能的陶瓷基复合材料的设计制备具有普适性；(2)利用高硬度的低Co层和良好韧性的高Co层的协同效应，可解决单层均质涂层在高硬度和高韧性方面难以兼顾的瓶颈问题；(3)基于理论计算和实验测定确定了低Co层和高Co层厚度的最佳比例，可最大程度降低内应力，减少冲击载荷作用下裂纹的萌生，进而同时提高涂层的冲击韧性和耐磨性；(4)本发明通过组织结构的创新设计，开发出了具有更强耐冲击磨损性能的涂层材料，方法简单易行，具有突出的推广应用价值。
附图说明
图1、实施例1制备的双层结构复合涂层与其他厚度比的双层结构复合涂层、以及单层均质涂层在相同外载荷作用下的最大内应力和变形量；
图2、实施例2和实施例3制备的四层结构复合涂层与其他厚度比的四层结构复合涂层在相同外载荷作用下的最大内应力和变形量。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
将平均粒径为0.3μm、Co的质量分数为12％的WC-Co复合粉末与聚乙二醇、去离子水按比例混合制成料浆，料浆中复合粉末质量占65％，聚乙二醇质量分数占3％，然后通过喷雾造粒、热处理、筛分制备得到粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；按上述工艺将平均粒径为1.0μm、Co的质量分数为17％的WC-Co复合粉末团聚成粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；对工件表面待喷涂区进行除油、除锈和喷砂处理，采用超音速火焰喷涂工艺喷涂上述粉末，在喷砂后的工件表面交替沉积不同Co含量的WC-Co涂层，喷涂参数为，煤油流量26L/h，氧气流量940L/min，喷涂距离350mm，送粉速率80g/min，涂层总厚度为260μm，层数设置为2层，低Co层和高Co层的厚度比值为3.3，最外层为低Co层，涂层冷却后即得到具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层。在质量为224g、直径为3.7cm、速度为4.2m/s的球体从0.9m高度自由跌落于上述涂层后，测得涂层最大内应力与其他条件下(不同的低Co层和高Co层厚度比)制备涂层的最大内应力的比较如图1所示。
实施例2
将平均粒径为0.3μm、Co的质量分数为12％的WC-Co复合粉末与聚乙二醇、去离子水按比例混合制成料浆，料浆中复合粉末质量占65％，聚乙二醇质量分数占3％，然后通过喷雾造粒、热处理、筛分制备得到粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；按上述工艺将平均粒径为1.0μm、Co的质量分数为17％的WC-Co复合粉末团聚成粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；对工件表面待喷涂区进行除油、除锈和喷砂处理，采用超音速火焰喷涂工艺喷涂上述粉末，喷涂参数为，煤油流量26L/h，氧气流量940L/min，喷涂距离350mm，送粉速率80g/min，在喷砂后的工件表面交替沉积不同Co含量的WC-Co涂层，涂层总厚度为260μm，层数设置为4层，低Co层和高Co层的厚度比值为1，最外层为低Co层，涂层冷却后即得到具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层。在质量为224g、直径为3.7cm、速度为4.2m/s的球体从0.9m高度自由跌落于上述涂层后，测得涂层最大内应力如图2所示。
实施例3
将平均粒径为0.3μm、Co的质量分数为12％的WC-Co复合粉末与聚乙二醇、去离子水按比例混合制成料浆，料浆中复合粉末质量占65％，聚乙二醇质量分数占3％，然后通过喷雾造粒、热处理、筛分制备得到粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；按上述工艺将平均粒径为1.0μm、Co的质量分数为17％的WC-Co复合粉末团聚成粒径分布在15-45μm的WC-Co喷涂粉末；对工件表面待喷涂区进行除油、除锈和喷砂处理，采用超音速火焰喷涂工艺喷涂上述粉末，喷涂参数为，煤油流量26L/h，氧气流量940L/min，喷涂距离350mm，送粉速率80g/min，在喷砂后的工件表面交替沉积不同Co含量的WC-Co涂层，涂层总厚度为260μm，层数设置为4层，低Co层和高Co层的厚度比值为3.3，最外层为低Co层，涂层冷却后即得到具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层。在质量为224g、直径为3.7cm、速度为4.2m/s的球体从0.9m高度自由跌落于上述涂层后，测得涂层最大内应力如图2所示。

Claims (2)

1.一种具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将平均粒径为0.2-0.5 μm、Co的质量分数为10%~12%的WC-Co复合粉末与聚乙二醇、去离子水按比例混合制成料浆，然后通过喷雾造粒、热处理、筛分制备得到粒径分布在15-45 μm的WC-Co喷涂粉末；
（2）按步骤（1）工艺将平均粒径为0.5-1.0 μm、Co的质量分数为17%~20%的WC-Co复合粉末团聚成粒径分布在15-45 μm的WC-Co喷涂粉末；
（3）对工件表面待喷涂区进行除油、除锈和喷砂处理，采用超音速火焰喷涂工艺喷涂上述粉末，在喷砂后的工件表面采用步骤（1）和步骤（2）的喷涂粉末交替沉积不同Co含量的WC-Co涂层，涂层总厚度为200~300 μm，层数设置为2~4层，低Co层和高Co层的厚度比值为3~4，最外层为低Co层，涂层冷却后即得到具有优良抗冲击磨损性能的多层复合结构WC基涂层。
2.按照权利要求1所述的制备方法制备得到的多层复合结构WC基涂层。
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