[發明專利]一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢涂層的方法

有效

• 申請號: 200710069010.0
• 申請日: 2007-05-25
• 公開（公告）號: CN101054670A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 馬淳安;姚建華
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B23K26/34
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司
• 代理人: 黃美娟;袁木棋

(一)技術領域

本發明涉及一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢涂層的方法，特別是利用介孔結構空心球狀碳化鎢粉末進行激光熔覆的方法。

(二)背景技術

金屬材料表面涂層技術能使基體材料表面的耐磨性、耐腐蝕性或耐熱性等成倍提高，從而拓展了材料的應用領域。由于激光的高能量密度、功率可控性、快速熔化和凝固，使得激光表面改性或熔覆具有獨特的精密性和局部熱作用，從而被看作是表面層處理的理想手段。它可以在相對低廉的基體材料上獲得所需的表面性能。這種工藝最常見的目標是用來硬化表面以產生更高的耐磨性。隨著納米結構材料的發展，納米材料已開始用于金屬表面的薄膜涂層，并產生不同于塊體金屬材料的微結構，由此在表面改性過程中形成了有用的性能，如納米結構WC-Co涂層、納米尺寸氧化鋁涂層等，尤其是碳化鎢類硬質合金以其高硬度、高抗壓強度和耐磨等特性使其在切削刀具、模具、礦山工具及耐磨零件等方面得到了廣泛的應用。但是傳統的硬質合金中強度和硬度是一對相互制約的矛盾，這一缺陷使硬質合金的應用受到了很大的限制，因此如何獲得具有“雙高”(高強度和高韌性)性能的硬質合金材料一直是各國材料科學家們的奮斗目標。

目前，國內外納米碳化鎢類金屬涂層的構筑手段主要是采用噴涂法，包括火焰噴涂、冷噴涂、等離子噴涂等。這些方法或多或少地都存在著一些問題，特別是晶粒尺寸在構筑過程中不易控制，在冷卻時晶粒會迅速長大，從而降低了涂層的硬度和韌性。

(三)發明內容

本發明的目的是提供一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢涂層的方法，以減少涂層的裂紋和缺陷，并得到高硬度和高韌性的表面涂層。

本發明采用的技術方案如下：

一種在金屬表面上熔覆高硬度碳化鎢涂層的方法，是將具有介孔結構空心球狀的碳化鎢粉末與吸光劑均勻混合，并作為預置涂層材料涂覆于金屬基體表面上，然后通過激光熔覆，即得所述的高硬度碳化鎢涂層，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑以5～30∶1的比例混合，優選為8～12∶1。

進一步，所述激光熔覆的工藝參數為：激光波長為10.6μm，輸出功率2.0～6.0kW，掃描速度為2.0～12.0m/min，掃描寬度為5～15mm。

所述的涂層材料為介孔結構空心球狀碳化鎢粉末和吸光劑，介孔結構空心球狀碳化鎢的吸光效率比常規碳化鎢高，其力學性能特別是韌性高于常規碳化鎢材料；而添加常規吸光劑如黑涂料可增加激光的吸收效率，在激光熔覆過程中，介孔結構空心球狀碳化鎢與基體形成冶金組織結構結合在一起，在材料表面上生成晶粒細小的快速凝固組織，使得熔覆層形成高硬度、高耐磨性的表面涂層。

較好的，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末與吸光劑按質量比10∶1的比例混合。

更好的，所述的介孔結構空心球狀碳化鎢粉末粒徑在0.1～20μm。所述的吸光劑為黑涂料。所述的預置涂層厚度為0.2～0.8mm最佳。

所述的金屬基體材料優選為下列之一：2Cr13鋼、碳鋼、銅、碳纖維增強聚酰亞胺、鉬或鈦合金。

所述的方法中，介孔結構空心球狀碳化鎢可通過如下方法制得：將偏鎢酸銨溶于蒸餾水，配制成含偏鎢酸銨2.5～50wt％的水溶液，再將溶液進行噴霧干燥，獲得H₂WO₃顆粒前驅體；然后將H₂WO₃顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢后隔絕空氣迅速冷卻，即得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末。得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末的粒徑絕大多在0.1～20μm。

更具體的，配制含偏鎢酸銨5～10wt％的水溶液，室溫下超聲振蕩10～60分鐘；然后導入噴霧干燥器中進行噴霧干燥，得到球狀H₂WO₃顆粒前驅體；以甲烷和氫氣體積比為10～20∶1混合氣為還原碳化氣氛，將所述的H₂WO₃顆粒前驅體在450℃進行焙解1～3小時、再在900℃進行還原碳化10～12小時，反應完畢后在隔絕空氣的環境下將產物迅速冷卻，得到介孔結構空心球狀碳化鎢粉末。

本發明利用激光能量密度高，加熱和冷凝速度快等特點，將激光熔覆的方法引入高硬度碳化鎢涂層的制備過程，即能控制晶粒長大，又有利于得到較為理想的致密涂層。更好的，在激光熔覆過程中進行惰性氣體同步保護，如氮氣、氬氣或氦氣保護，效果更好。具體的，激光器可選擇二氧化碳橫流激光器。