[發明專利]高硬度材料涂層結構及其制備方法

在審

• 申請號: 202010616217.0
• 申請日: 2020-06-30
• 公開（公告）號: CN111763938A
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發明（設計）人: 單光存;張吉亮;石燦鴻;李鑫
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C24/04
• 分類號: C23C24/04;B22F9/08;B22F9/14;B22F1/00;C22C29/08
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 喻穎

一種高硬度材料涂層結構及其制備方法，高硬度材料涂層結構包括：利用非晶合金作為基底或過渡層；在非晶合金基底或過渡層上采用冷噴涂工藝噴涂高硬度材料粉末，在所述非晶合金基底或過渡層上得到高硬度材料致密涂層。在冷噴涂過程將高硬度材料粉末以超過臨界沉積速度的速度撞擊于非晶合金基底或過渡層，撞擊過程引起非晶表面大的剪切形變及剪切軟化，從而有效地增強非晶合金基底或過渡層和噴涂顆粒之間的結合強度，明顯抑制顆粒的脫落，從而可以制備得到致密且高硬度的涂層。

技術領域

本公開屬于合金材料技術與表面冷噴涂技術領域，涉及一種高硬度材料涂層結構及其制備方法。

背景技術

冷噴涂技術是一種以預熱壓縮氣體(氮氣、氨氣、空氣或混合氣體)為加速介質，帶動金屬顆粒在固態下以極高的速度撞擊工件基體，通過顆粒發生強烈塑性變形的方式沉積在基體表面形成涂層的低溫噴涂技術。冷噴涂與熱噴涂最大的區別在于顆粒加熱程度不同導致其撞擊工件表面之前的狀態不同。傳統熱噴涂技術的三大熱游溫度分別為：燃燒火焰，溫度均高于2000℃；電弧，溫度達到5000℃以上；等離子體，例如鈀等離子的溫度高達16000℃，因此熱噴涂的顆粒在沉積過程中熔化，并伴隨熔滴的撞擊、焊合、冷卻、凝固、相變等冶金過程，而冷噴涂的顆粒在沉積過程中不發生熔化，固體顆粒在極高的應變和應變速率條件下，發生絕熱剪切失穩，從而引起塑性流變并形成機械咬合。

冷噴涂顆粒沉積過程中存在一個臨界沉積速度，只有當顆粒的飛行速度超過該臨界沉積速度，顆粒對基體的沖蝕作用才能轉化為穿孔效應從而沉積形成涂層。通常顆粒的硬度越高，其臨界沉積速度就越高，即粉末顆粒硬度越高越難沉積，因此高硬度合金不宜利用冷噴涂技術有效沉積涂層。低硬度純金屬或合金可以利用冷噴涂技術制備涂層，但涂層的耐磨性能往往達不到使用要求。由于冷噴涂技術依靠高壓氣流使顆粒的飛行速度超過臨界沉積速度來獲得涂層，所以提高顆粒的飛行速度是制備高性能涂層的關鍵。顆粒的飛行速度主要與載氣及載氣預熱溫度有關。常用載氣中氨氣的加速效果最優，但成本過高；氮氣最經濟，但加速效果差。載氣預熱溫度主要為了增強氣體分子在噴嘴收縮段的膨脹效果，從而使氣流在擴張段達到最大的流速，但是載氣預熱溫度的提高受到沉積材料、設備的限制，而且無論如何升級設備，改進噴嘴結構，優化工藝參數，采用單一的冷噴涂技術依然無法沉積制備較高硬度的合金材料涂層，大大制約了噴涂技術的推廣。

目前大部分研究主要通過調整冷噴涂的工藝參數，如載氣預熱溫度和載氣壓力來改善高硬度的合金材料涂層的沉積效果。有的研究將制備得到的球形粉末高速反復撞擊在帶有相應規格表面凸起的基體上，使金屬粉末表面形成凹坑，通過改善粉末表面形貌抑制流動分離的發生，提高粉末在噴涂過程中的飛行速率，達到提高涂層致密度的效果，但該方法繁瑣冗長，適用范圍有限，且并未從根本上通過改變冷噴涂粉末的硬度去改善噴涂的效果。

因此有必要提出一種可以制備高硬度合金致密涂層的方法。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本公開提供了一種高硬度材料涂層結構及其制備方法，以至少部分解決以上所提出的技術問題。

(二)技術方案

根據本公開的一個方面，提供了一種高硬度材料涂層結構的制備方法，包括：利用非晶合金作為基底或過渡層；在非晶合金基底或過渡層上采用冷噴涂工藝噴涂高硬度材料粉末，在所述非晶合金基底或過渡層上得到高硬度材料致密涂層。

在本公開的一實施例中，所述非晶合金為納米晶合金或金屬玻璃。

在本公開的一實施例中，所述高硬度材料粉末為碳化鎢合金粉末，其中鎢和碳的質量比為10∶1，該碳化鎢合金粉末的純度大于99.9％；

所述高硬度材料粉末的粉末顆粒的特征尺寸為0.7μm～2μm；

所述高硬度材料涂層中顆粒的尺寸為1μm～5μm。