一种热压同步作用制备涂层的方法
技术领域
本发明属于金属或合金表面涂层制备领域，特别涉及一种热压同步作用制备金属或合金表面涂层的方法。
背景技术
磨损和腐蚀为金属或合金零部件的主要失效形式之一，通常通过表面涂层工艺来大幅提高零部件的服役周期。耐磨防腐涂层根据材料种类，常见的共有三类：一类是以改良环氧树脂、强化纤维等为代表的有机类涂层；第二类是纯金属或合金类涂层，如单元系涂层(如Cr)、二元系(Al-Cr)和多元系(NiCoCrAlY)；第三类是陶瓷涂层，如Al2O3、PSZ、AlN、WC等。以WC、TiC、SiC等为代表的碳化物拥有高熔点、高硬度、强耐酸碱能力、高温稳定性等优良性能，但也为制备涂层带来了难度。
以碳化物为硬质相涂层的制备为例，通过热法来制备这类涂层主要使用热喷涂、激光熔覆和堆焊这三种方法，这些方法都存在各自的不足。从制得涂层的品控层面来说，热喷涂涂层表面和内部的孔隙裂纹较高，界面为机械结合，涂层的应力状态一般表现为轻微的拉应力或无应力状态；激光熔覆由于其快冷快热的特性，虽然易出现冶金结合，但涂层常表现出高的残余拉应力状态，从而导致涂层内部微裂纹的产生。从制备工艺来说，热喷涂粉材利用率不高，噪声污染大；激光熔覆的能量利用率很低，同轴/同步送粉粉材利用率不高，光污染严重，操作复杂学习成本高；堆焊法制备涂层，要求堆焊材料具有可焊性，且与基体材料的相容性高，堆焊过程中的稀释率直接影响涂层的最终性能，其涂层的金相组织和化学成分往往不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种热压同步作用制备涂层的方法，以克服现有技术中传统方法制备金属或陶瓷涂层会产生孔隙、裂纹、残余拉应力和界面膜基结合薄弱等缺陷。
本发明提供了一种热压同步作用制备涂层的方法，包括以下步骤：
(1)将涂层粉体原材料混合，球磨；
(2)将球磨后的原材料与常温自硬粘结剂载液均匀混合，得到浆料；
(3)将步骤(2)中浆料均匀施涂于清洁处理过的金属或合金基体表面，得到预覆层；
(4)用辊型电极对步骤(3)中预覆层进行通电加热滚压，并与涂层/基体间保持相对运动，得到涂层。
所述步骤(1)中涂层粉体原材料为导电的硬质粉末、金属或合金粉末。
所述导电的硬质粉末为含有硬质相和粘结相的混合粉末，所述硬质相包括WC、TiC、SiC、TiN、TiAlN、AlN等粉体中的至少一种，所述粘结相包括Co、Ni、Fe等粉体中的至少一种。
所述金属包括Cr、Ni等粉体中的至少一种。
所述合金粉末包括Al-Cr、NiCoCrAlY等粉体中的至少一种。
所述步骤(2)中常温自硬粘结剂载液含热塑性或热固性的树脂。
所述树脂包括聚丙烯酸酯、脲醛树脂、环氧树脂、聚乙烯醇、羧甲基纤维素或聚醋酸乙烯等。
所述步骤(2)中常温自硬化载液中加入硬化剂，可以减少固化时间。
所述步骤(3)中金属或合金基体的清洁处理为：金属或合金基体表面去油污去氧化物。
所述步骤(4)中辊型电极的制备材料为良导电性、高热硬性、高熔点材料。
所述步骤(4)中辊型电极的电加热功率和接触压力可调。
所述步骤(4)中通电加热滚压的工艺参数为：电压为5-20V，电流为20-50kA，压力为0.5-5MPa。
所述步骤(4)中加热滚压过程为涂层成形过程。
所述步骤(4)中辊型电极、预覆层和基体共同组成电流回路进行电热升温。
所述步骤(4)中得到涂层后可以重复步骤(3)和步骤(4)。
本发明还提供一种上述方法制备得到的涂层。
本发明还提供一种上述方法制备得到的涂层的应用。
本发明利用一种应用耐高温的辊型电极进行热压同步作用来使粉体预覆层直接沉积于基体上的方法。由辊型电极、涂层原料粉材和基体组成电热转换的回路，由辊型电极的持臂提供加压的压力。
本发明中热压作用成形涂层的机理不同于传统热法制备涂层的机理。传统热法制备涂层的过程中，涂层原材料粉体在基体上的沉积仅仅是一个加热熔融凝固或加热烧结冷却的过程，仅存在热作用而无压力作用。热压作用成形涂层过程中，受热区域原材料粉体不仅被加热至熔融或烧结的温度，且受到压力作用。涂层经加热加压同步作用而成形，由于受热受压的作用强度和时间可控，基体表面形成的涂层可以由实际工况调整。另外，可以根据工况需要，采用该方法多层堆叠涂层从而增加厚度。
有益效果
(1)相比于一些传统常用的涂层制备方法，本发明操作简单、能量利用率高、原料粉材利用率高。
(2)本发明使涂层原料由粉体转化为涂层的过程可控。电加热与接触压强的强度和时间可以灵活调节。
(3)本发明中适用的粉材广泛，几乎涉及大部分导电粉材或以金属作为粘结相的硬质混合粉体。
附图说明
图1为本发明辊式电极对工件热压同步作用的原理图。
图2和图3为本发明热压作用前预覆层的外观图。
图4和图5为本发明热压作用后涂层的外观图。
图6为实施例1制备得到的WC-20Ni涂层的截面微观FESEM图，其中(a)为200倍，(b)为500倍。
图7为实施例2中制备得到的WC-12Co涂层的截面微观FESEM图及元素分布的EDS图谱。
图8为实施例3逐层堆叠WC-25Ni涂层的SEM断面图(a-c)。
图9为实施例3中逐层堆叠的WC-25Ni涂层的残余应力值。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例的提出只是为了佐证本发明技术的成功实施，金属陶瓷涂层为较难制备的一类涂层，因此以WC涂层的制备为典型示例。
实施例1
本实施例提供一种热压同步作用制备涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对45#钢管材基体表面进行去油污去氧化物等表面清洁处理。
(2)采用球磨法分别球磨WC粉体和Ni粉体至25-50μm和15-25μm，WC与Ni的比例为8:2(wt％)。
(3)采用热固性脲醛树脂作为粘结剂，加入NH4Cl作为固化催化剂，形成自硬化载液。载液和粉体按质量分数比例1:3充分混合，制备成WC-20Ni的自硬化浆料，并将此浆料施涂于45#钢基体表面获得预覆层。
(4)用辊型电极对步骤(3)中预覆层进行通电加热滚压，参数为：电流35kA，电压8V，压力1MPa。辊型电极通电滚压预覆层并与涂层/基体间保持相对运动，从而获得WC-20Ni涂层。
(5)在45#钢管材上获得涂层后，对其进行线切割获得试样，然后对试样截面抛光，使用场发射扫描电镜(FESEM)观测小样截面微观形貌。
图6为WC-20Ni涂层，可以发现涂层的厚度约为100-110μm。说明快速热压沉积得到了完整均匀的涂层。
实施例2
本实施例提供一种热压同步作用制备涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对45#钢管材基体表面进行去油污去氧化物等表面清洁处理。
(2)使用WC-12％Co粉末(WC:Co＝88:12)与聚醋酸乙烯按质量分数比5:1充分混合得到WC-12Co浆料。并均匀涂布该浆料于45#钢基体表面，固化后获得预覆层。
(3)用辊型电极对步骤(2)中预覆层进行通电加热滚压，参数为：电流35kA，电压8V，压力1MPa。辊型电极通电滚压预覆层并与涂层/基体间保持相对运动，从而获得WC-12Co涂层。
(4)在45#钢管材上获得WC-12Co涂层后，对其进行线切割获得试样，然后对试样截面抛光，使用场发射扫描电镜(FESEM)观测小样截面微观形貌，能谱分析(EDS)观测其元素分布。
图7显示了热压沉积的WC-12Co涂层的截面形貌与元素分布。由图可见涂层的厚度约为50-60μm，涂层在热压沉积的过程中，界面开始变得融合，Fe、Co元素都开始越过了界面分界线而向元素的贫瘠区/黑区迁徙。
本实施例获得的WC-12Co的表面显微硬度(中国上海光学仪器有限公司，HXS-1000A型硬度计)可达约928HV。
实施例3
本实施例提供一种热压同步作用制备涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对45#钢管材基体表面进行去油污去氧化物等表面清洁处理。
(2)使用WC-25Ni粉末(WC:Ni＝75:25)与聚醋酸乙烯按质量分数比5:1充分混合得到WC-25Ni浆料。并均匀涂布该浆料于45#钢基体表面，固化后获得预覆层。
(3)将辊型电极对步骤(2)中预覆层进行通电加热滚压，参数为：电流35kA，电压8V，压力1MPa。辊型电极通电滚压预覆层并与涂层/基体间保持相对运动，从而获得WC-25Ni涂层。
(4)再次涂布WC-25Ni浆料于获得的涂层上，并再次进行相同条件的热压作用成形。
图8为逐层堆叠WC-25Ni涂层的断面形貌图，一层、二层和三层涂层的厚度分别为约160μm、245μm、330μm。
图9为逐层堆叠的WC-25Ni涂层的残余应力值，分别为-62.7±23、-147±52、-174.41±41MPa的压应力。这区别于传统熔凝烧结方法制备的硬质合金涂层。
