本发明涉及一种金属表面涂层熔覆方法，尤其涉及一种金属表面梯度涂层熔覆方法，属于金属表面热处理技术领域。
背景技术：
随着经济的不断发展，人类社会的不断进步，金属材料被广泛的运用到人们的日常生活中，这就使得金属材料在人们的日常生活中起到不可或缺的作用。
许多重要的表面性能如硬度、耐磨性、耐蚀性、抗氧化、耐热性都取决于金属材料表面的物理和化学性质，而人们通常采用表面技术来提高金属材料的表面性能，如：表面耐磨、耐腐、耐热等。传统的表面处理技术，如各种喷涂层、溶层、镀层等，由于较差的结合力或受平衡溶解度小及固态扩散性差的限制，应用效果较差。熔覆陶瓷涂层较之传统涂层方法能更有效地改善材料和机械零部件的表面性能，金属表面熔覆陶瓷技术是采用某一热源在金属材料表面熔覆一层硬度、热稳定性高，与基体结合牢固的陶瓷涂层，它将金属的良好强韧性和陶瓷相的高硬度结合了起来。熔覆陶瓷涂层较之传统涂层方法能更有效地改善材料的表面性能，然而由于熔覆层和基体金属的热膨胀系数及弹性模量不相匹配，且基体与界面存在明显界面，使用中经常发生涂层断裂或剥落损坏现象，最基本的方法就是消除界面，如引入功能梯度设计思想，使熔覆涂层沿厚度方向逐渐改变涂层成分与结构要素，使涂层的性能呈连续的梯度变化，这是国际上熔覆涂层的最新研究动向。梯度涂层工艺有许多，如化学气相沉积、自蔓延法、烧结法、激光熔覆法等，但由于存在设备昂贵、工艺复杂、成本高、反应粉末受限等缺点，因此均未获得大面积推广应用。
电弧等离子束、激光束、电子束是三大高温热源，具有广泛的工业应用领域。由于传统的湍流电弧等离子体射流短（几厘米），并不成长束，加工较粗糙，不能算一种理想的高温束状热源；激光束目前在焊接、切割、表面处理等工业领域获得极大的应用，加工质量好，但设备成本高，热效率低（20﹪以下），单体功率小（10kw以下），所以仅能焊接和切割薄板，表面热处理深度在0.3mm以下；电子束也是一种较好的高温热源，而且功率可以做大，但是需在真空条件下工作，其设备和工艺成本非常昂贵，不适合普通加工；层流电弧等离子体束设备单位成本低，热效率高（转移弧90﹪以上，非转移弧65﹪以上），单体功率可达1000kw以上，可在大气压下稳定工作，非常适合金属表面涂层熔覆处理，表面处理深度达3mm，质量不亚于激光，但加工范围、环境适应性和处理深度远超激光；另外大功率及大气压环境工作的优点，可在纳米材料生产、新材料合成、冶炼、煤化工、垃圾发电、军工、航空航天等需要大功率的领域应用。
技术实现要素：
本发明旨在解决现有技术问题，而提出了一种金属表面梯度涂层熔覆方法。本发明在金属表面梯度涂层熔覆过程中，通过对涂层熔覆设备的特别设定，采用层流等离子发生器和熔覆喷枪，以层流等离子提供热源，加热速度快，便于控制基体温度，不致太高，避免引起退火变形，同时，由于层流等离子为连续工作，造成机体冷却相对较慢，形成的过渡区域更深而对于硬面材料熔覆来说，应力会释放更好。
为了实现上述技术目的，提出如下的技术方案：
一种金属表面梯度涂层熔覆方法，其特征在于，包括如下步骤：
A. 基体表面预处理
对将要进行涂层熔覆的基体表面除锈、去污和去疲劳层处理；
B．涂层材料设定
涂层材料包括氧化锆、二氧化硅、氮化铝、氧化亚铜、铁粉和铝粉中一种或任意两种以上的混合，具体配比可根据不同基体，按实际要求设定；
C．涂层熔覆处理
采用层流等离子涂层熔覆设备，层流等离子涂层熔覆设备在气体介质的保护下，层流等离子提供热源，轴向中心送粉，对涂层材料与基体表面进行涂层熔覆处理，经过至少二次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层；
D．涂层检验
将C步骤中形成的梯度涂层，进行检验和测试。
进一步的，所述层流等离子涂层熔覆设备沉积效率为60%～90%。
进一步的，所述层流等离子涂层熔覆设备送粉量为30g/min～90 g/min。
进一步的，所述层流等离子涂层熔覆设备涂层熔覆速度为29～31kg/h。
进一步的，所述涂层熔覆的稀释率≤1%。
进一步的，所述梯度涂层孔隙率为0.5%～5%。
进一步的，所述层流等离子温度为500～20000K。
进一步的，所述层流等离子涂层熔覆设备包括层流等离子发生器和熔覆喷枪，层流等离子发生器与熔覆喷枪之间形成电弧通道，在电弧通道外设有冷却循环装置。
进一步的，所述层流等离子发生器功率为100～150 KW。
进一步的，所述熔覆喷枪主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，使得单个阴极的负载电流大大降低，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧。
进一步的，所述气体介质包括氩气、氮气、氦气、氢气和氨气中的一种或任意两种以上的混合。
采用本技术方案，带来的有益技术效果为：
（1）在本发明中，采用的金属表面梯度涂层熔覆方法，技术门槛低，容易实行，可靠性好，维护简单，耗电少，通用性好，生产成本低，便于规模化生产，效益显著，对环境要求低，对材料适应广泛；
（2）在本发明中，经过至少二次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层，而避免超硬涂层中的裂纹或剥落损坏，使得涂层适应范围更广；
（3）在本发明中，在金属表面梯度涂层熔覆过程中，通过对涂层熔覆设备的特别设定，采用层流等离子发生器和熔覆喷枪，以层流等离子提供热源，加热速度快，便于控制基体温度，不致太高，避免引起退火变形，同时，由于层流等离子为连续工作，造成机体冷却相对较慢，形成的过渡区域更深而对于硬面材料熔覆来说，应力会释放更好；
（4）在本发明中，层流等离子熔覆设备所采用的等离子束，是一种电离弧，比弧焊机热量更集中，所以加热速度更快，为了获得更集中的离子束，一般采用高压缩比孔径，小电流，以便控制基体温度不致太高，避免引起退火变形，以激光器加热速度无法比拟；
（5）在本发明中，层流等离子熔覆，不易产生裂纹、气孔。以层流等离子为热源进行熔覆，由于层流等离子热量集中，离子弧稳定性好，没有电极熔耗，输出热量均匀，便于控制，这样使得熔铸区热量分布均匀，材料熔合充分均匀，排气浮渣都充分，收缩应力分布均匀。由于层流等离子设备控制精度高，对熔覆区和过渡区的控制方便，且均匀度好，应力分配更容易控制合理。用氩气等气体介质保护不需要各种添加剂，也不存在排氢，氧化等问题，所以等离子熔覆更适合大面积，大厚度，高质量的硬面熔铸（如高锰·高铬陶瓷材料等），适合于制造耐磨板、阀门、轧辊等；
（6）在本发明中，首先，基体表面预处理简单，只需除锈去污去疲劳层即可；其次，采用气体介质送粉，气体介质选择种类多，且送粉精度要求低，可以有一定的倾斜度，这样就允许手工操作，对于金属修复比较适用；第三，层流等离子稳定性好，涂层的形成易于控制，敷材与基体融合充分，区域过渡较好；第四，加热和冷却速度低于激光，熔融状态维持时间长，有利于金相组织均匀形成，排气浮渣较好，在粉末喷出过程中就已经加热，且有氩气等气体介质的保护，所以熔覆涂层均匀度更好，气孔夹渣等缺陷更少；第五，层流等离子的加热方式对涂层材料限制少，涂层材料选择广泛，且对碳化物及氧化物等熔覆更容易。
具体实施方式
下面通过对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种金属表面梯度涂层熔覆方法，包括如下步骤：
A. 基体表面预处理
对将要进行涂层熔覆的基体表面除锈、去污和去疲劳层处理；
B．涂层材料设定
涂层材料包括氧化锆、二氧化硅、氮化铝、氧化亚铜、铁粉和铝粉中一种或任意两种以上的混合，具体配比可根据不同基体，按实际要求设定；
C．涂层熔覆处理
采用层流等离子涂层熔覆设备，层流等离子涂层熔覆设备在气体介质的保护下，层流等离子提供热源，轴向中心送粉，对涂层材料与基体表面进行涂层熔覆处理，经过二次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层；
D．涂层检验
将C步骤中形成的梯度涂层，进行检验和测试。
所述层流等离子涂层熔覆设备沉积效率为60%。
所述层流等离子涂层熔覆设备送粉量为30g/min。
所述层流等离子涂层熔覆设备涂层熔覆速度为29。
所述涂层熔覆的稀释率1%。
所述梯度涂层孔隙率为5%。
所述层流等离子温度为500K。
所述层流等离子涂层熔覆设备包括层流等离子发生器和熔覆喷枪，层流等离子发生器与熔覆喷枪之间形成电弧通道，在电弧通道外设有冷却循环装置。
所述层流等离子发生器功率为100。
所述熔覆喷枪主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，使得单个阴极的负载电流大大降低，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧。
所述气体介质为氩气。
实施例2
一种金属表面梯度涂层熔覆方法，包括如下步骤：
A. 基体表面预处理
对将要进行涂层熔覆的基体表面除锈、去污和去疲劳层处理；
B．涂层材料设定
涂层材料包括氧化锆、二氧化硅、氮化铝、氧化亚铜、铁粉和铝粉中一种或任意两种以上的混合，具体配比可根据不同基体，按实际要求设定；
C．涂层熔覆处理
采用层流等离子涂层熔覆设备，层流等离子涂层熔覆设备在气体介质的保护下，层流等离子提供热源，轴向中心送粉，对涂层材料与基体表面进行涂层熔覆处理，经过至三次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层；
D．涂层检验
将C步骤中形成的梯度涂层，进行检验和测试。
所述层流等离子涂层熔覆设备沉积效率为90%。
所述层流等离子涂层熔覆设备送粉量为90 g/min。
所述层流等离子涂层熔覆设备涂层熔覆速度为31kg/h。
所述涂层熔覆的稀释率0.5%。
所述梯度涂层孔隙率为0.5%。
所述层流等离子温度为18000K。
所述层流等离子涂层熔覆设备包括层流等离子发生器和熔覆喷枪，层流等离子发生器与熔覆喷枪之间形成电弧通道，在电弧通道外设有冷却循环装置。
所述层流等离子发生器功率为150 KW。
所述熔覆喷枪主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，使得单个阴极的负载电流大大降低，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧。
所述气体介质为氩气、氮气和氢气混合。
实施例3
一种金属表面梯度涂层熔覆方法，包括如下步骤：
A. 基体表面预处理
对将要进行涂层熔覆的基体表面除锈、去污和去疲劳层处理；
B．涂层材料设定
涂层材料包括氧化锆、二氧化硅、氮化铝、氧化亚铜、铁粉和铝粉中一种或任意两种以上的混合，具体配比可根据不同基体，按实际要求设定；
C．涂层熔覆处理
采用层流等离子涂层熔覆设备，层流等离子涂层熔覆设备在气体介质的保护下，层流等离子提供热源，轴向中心送粉，对涂层材料与基体表面进行涂层熔覆处理，经过至五次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层；
D．涂层检验
将C步骤中形成的梯度涂层，进行检验和测试。
所述层流等离子涂层熔覆设备沉积效率为75%。
所述层流等离子涂层熔覆设备送粉量为60 g/min。
所述层流等离子涂层熔覆设备涂层熔覆速度为30kg/h。
所述涂层熔覆的稀释率0.75%。
所述梯度涂层孔隙率为3%。
所述层流等离子温度为150000K。
所述层流等离子涂层熔覆设备包括层流等离子发生器和熔覆喷枪，层流等离子发生器与熔覆喷枪之间形成电弧通道，在电弧通道外设有冷却循环装置。
所述层流等离子发生器功率为120KW。
所述熔覆喷枪主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，使得单个阴极的负载电流大大降低，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧。
所述气体介质为氦气和氨气的混合。
实施例4
在合金钢表面进行防腐处理，利用金属表面梯度涂层熔覆方法。
一种金属表面梯度涂层熔覆方法，包括如下步骤：
A. 基体表面预处理
对将要进行涂层熔覆的合金钢基体表面除锈、去污和去疲劳层处理；
B．涂层材料设定
涂层材料包括氮化铝、氧化亚铜和铁粉的混合，其中氮化铝35%、氧化亚铜50%及铁粉14%；
C．涂层熔覆处理
采用层流等离子涂层熔覆设备，层流等离子涂层熔覆设备在气体介质的保护下，层流等离子提供热源，轴向中心送粉，对涂层材料与基体表面进行涂层熔覆处理，经过三次熔覆处理后，形成具有梯度的涂层；
D．涂层检验
将C步骤中形成的梯度涂层，进行检验和测试。
所述层流等离子涂层熔覆设备沉积效率为70%。
所述层流等离子涂层熔覆设备送粉量为50 g/min。
所述层流等离子涂层熔覆设备涂层熔覆速度为30kg/h。
所述涂层熔覆的稀释率0.6%。
所述梯度涂层孔隙率为2.3%。
所述层流等离子温度为10000K。
所述层流等离子涂层熔覆设备包括层流等离子发生器和熔覆喷枪，层流等离子发生器与熔覆喷枪之间形成电弧通道，在电弧通道外设有冷却循环装置。
所述层流等离子发生器功率为100 KW。
所述熔覆喷枪主要采用中轴圆柱阳极结构，沿阳极柱周围环形均匀布置三个或三个以上的阴极，使得单个阴极的负载电流大大降低，阳极均分为多个不同部位与对应阴极形成连接电弧，可形成高弧压小电流层流长束等离子弧。
所述气体介质包括氩气和氢气的混合。