1.本发明涉及合金材料加工技术领域，特别涉及耐磨涂层及其制备方法。
背景技术：
2.在机械零部件表面制备耐磨涂层，能够提高零部件的耐磨性，提高机械装备使用寿命和可靠性。与此同时，合金是一种金属与另一种或几种金属或非金属粉末经过混合熔化，冷却凝固后得到的具有金属性质的固体产物。其最终性能由多种元素共同作用决定，通过设计多种元素与成分的组合可以使合金具有较好的耐磨性，因此，在零部件表面形成耐磨合金涂层是一个热门的研究课题。
3.目前，市面上比较常用的，在零部件表面形成耐磨合金涂层的方法主要有：物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、热喷涂、堆焊等。其中，尤以热喷涂方法应用最为广泛，其可在各工业领域各种通用机械部件上大展身手，如各种轴类、阀门、风机等的涂覆、强化和修复，并取得了显著的社会效益和经济效益。随着技术进步，新的热喷涂手段如超音速火焰喷涂、超声速等离子喷涂技术等方法正不断开发，应用领域必将更加广泛，进一步在钢铁、石油、化工、汽车、机械、印刷及食品机械等各个领域发展。
4.但是，热喷涂方法也有一定的缺点，该技术对合金粉末的要求较高，如果粉末质量不佳，有空心球，会导致喷焊后出现孔洞。而且，喷涂机械设备种类繁多，在其运行时一些部件通常进行不同形式的机械运动。喷涂过程中有些发生相对运动产生摩擦，不仅消耗能量还会产生大量的热，而且使喷涂设备零件出现不同程度的磨损，甚至导致过早失效。
5.热源熔覆是不同于热喷涂的一种表面改性方法，它利用高能量密度的热源将合金粉末熔覆在基体表面，可用于制备耐磨合金涂层。然而，当采用热源熔覆方法加工含有wc合金粉末的材料时，由于需要将wc合金粉末与其他粉末混粉，而含有wc合金粉末的混粉在熔覆过程中会存在成分分布不均匀的问题；同时因wc合金粉末的熔点高，一般常采用化学方法制备，wc合金粉末自身的球形度差，在熔覆过程中，混粉铺设的厚度不均匀，上述两个不均匀的现象，均会对最终制品的耐磨性能和硬度产生不利影响。
技术实现要素：
6.基于此，本发明提供一种耐磨涂层的制备方法，解决了采用热源熔覆加工含有wc合金粉末的混粉时，成分分布不均匀和铺粉厚度不均匀的问题，制备的涂层具有较好的耐磨性能和硬度。
7.技术方案为：
8.一种耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
9.以wc
‑
co合金为主要原料，采用电弧微爆制粉方法，制备wc
‑
co粉末；
10.将所述wc
‑
co粉末、ni粉末和助熔剂混合，制备混合粉末；
11.将所述混合粉末覆盖在基体的表面，采用热源熔覆的方法加工所述混合粉末，制备耐磨涂层。
指任两种或任两种以上。
32.本发明中，“第一方面”、“第二方面”、“第三方面”、“第四方面”、“第一类”、“第二类”、“第一段”、“第二段”等中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，不能理解为指示或暗示相对重要性或数量，也不能理解为隐含指明所指示的技术特征的重要性或数量。而且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅起到非穷举式的列举描述目的，应当理解并不构成对数量的封闭式限定。
33.本文中，“优选”仅为描述效果更好的实施方式或实施例，应当理解，并不构成对本发明保护范围的限制。
34.本发明中，以开放式描述的技术特征中，包括所列举特征组成的封闭式技术方案，也包括包含所列举特征的开放式技术方案。
35.本发明中，涉及到数值区间，如无特别说明，则包括数值区间的两个端点。
36.本发明中涉及的百分比含量，如无特别说明，对于固液混合和固相
‑
固相混合均指质量百分比，对于液相
‑
液相混合指体积百分比。
37.本发明中的温度参数，如无特别限定，既允许为恒温处理，也允许在一定温度区间内进行处理。所述的恒温处理允许温度在仪器控制的精度范围内进行波动。
38.热源熔覆是不同于热喷涂的一种表面改性方法，它利用高能量密度的热源将合金粉末熔覆在基体表面，可用于制备耐磨合金涂层。然而，当采用热源熔覆方法加工含有钨基合金粉末的材料时，由于需要将钨基合金粉末与其他粉末混粉，而含有钨基合金粉末的混粉在熔覆过程中会存在成分分布不均匀的问题；同时因钨基合金粉末的熔点高，一般常采用化学方法制备，钨基合金粉末自身的球形度差，在熔覆过程中，混粉铺设的厚度不均匀，上述两个不均匀的现象，均会对最终制品的耐磨性能和硬度产生不利影响。
39.基于此，本发明提供一种耐磨涂层的制备方法。
40.技术方案为：
41.一种耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
42.以wc
‑
co合金为主要原料，采用电弧微爆制粉方法，制备wc
‑
co粉末；
43.将所述wc
‑
co粉末、ni粉末和助熔剂混合，制备混合粉末；
44.将所述混合粉末覆盖在基体的表面，采用热源熔覆的方法加工所述混合粉末，制备耐磨涂层。
45.本发明首先对合金元素进行了设计，获得了有利于增加涂层耐磨性的合金元素组合，然后根据所涉及的合金元素，通过电弧微爆制备了wc
‑
co粉末，相对于单独加入wc粉末和co粉末，电弧微爆制备的wc
‑
co合金粉末，单个球形粉末为预合金化粉，将其与ni粉末和助熔剂混合后，混合粉末在热熔熔覆过程中，各成分均匀分布，不产生任何偏析。而且，本发明通过电弧微爆制备的wc
‑
co合金粉末是球形的，且球形度高，混合粉末铺粉时，铺粉厚度均匀，最终制备了耐磨性更好，硬度更高的涂层。
46.优化耐磨涂层中各元素的含量，有利于提高涂层的耐磨性能。
47.在其中一个实施例中，所述wc
‑
co粉末、ni粉末和助熔剂的质量比为(10～45)：(40～80)：(2～10)。
48.在其中一个更优选的实施例中，所述wc
‑
co粉末、ni粉末和助熔剂的(15～35)：(50～70)：(4～8)。
49.可以理解地，wc
‑
co粉末中，w、c和co的质量比，与wc
‑
co合金中，w、c和co的质量比，保持一致。
50.在其中一个实施例中，所述wc
‑
co粉末的粒径为100目
‑
400目。所述wc
‑
co粉末球形度好。
51.在其中一个实施例中，所述wc
‑
co合金中，wc和co的质量比为(5
‑
10):1。
52.在其中一个实施例中，wc中，w和c的摩尔比为1:1。
53.在其中一个实施例中，采用电弧微爆制粉方法，制备wc
‑
co粉末，包括以下步骤：
54.将电极和所述wc
‑
co合金分别与电源的两极电相连，在所述电极和wc
‑
co合金的放电间隙产生电弧等离子体，所述电弧等离子体使所述wc
‑
co合金表面部分熔融，形成熔融区，同时，引起所述电弧等离子体工作形态改变，使所述熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，收集wc
‑
co粉末。
55.将电极和所述wc
‑
co合金分别与电源的两极电相连，可以理解为，将所述电极连接到所述电源的阳极，将所述wc
‑
co合金连接到所述电源的阴极。也可以理解为，将所述电极连接到所述电源的阴极，将所述wc
‑
co合金连接到所述电源的阳极。
56.当所述电极连接到电源的阳极时，电源驱动电极旋转。此时，电极设置有中空腔。部分或全部所述流体介质从所述电极的中空腔内引入。即，流体介质可以全部地从电极的中空腔内引入，也可以一部分从电极的中空腔内引入，剩余部分从电极的中空腔外引入，所述从电极的中空腔外引入，包括，顺着电极的外表面流向wc
‑
co合金，以此引入到电极和wc
‑
co合金的放电间隙中，还包括通过其他途径引入到电极和合金锭的间隙中。
57.可以理解地，从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。
58.在一个优选的实施例中，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
59.在一个优选的实施例中，所述水基介质为蒸馏水。
60.可以理解地，设置有中空腔的电极为设置有单管、多管和中空嵌套的电极。
61.当所述wc
‑
co合金连接到电源的阳极时，电源驱动wc
‑
co合金旋转。此时，wc
‑
co合金设置有中空腔。部分或全部所述流体介质从wc
‑
co合金的中空腔内引入。即，流体介质可以全部地从wc
‑
co合金的中空腔内引入，也可以一部分从wc
‑
co合金的中空腔内引入，剩余部分从wc
‑
co合金的中空腔外引入，所述从wc
‑
co合金的中空腔外引入，包括，顺着wc
‑
co合金的外表面流向电极，以此引入到wc
‑
co合金和电极的放电间隙中，还包括通过其他途径引入到wc
‑
co合金和电极的间隙中。
62.可以理解地，从中空腔内和中空腔外流入的流体介质可以是相同的流体介质也可以是不同流体介质。
63.在一个优选的实施例中，所述流体介质为水基介质和/或惰性气体，所述惰性气体包括氮气。
64.在一个优选的实施例中，所述水基介质为蒸馏水。
65.优选地，所述电极为单元素电极，所述单元素电极的元素为w、c或co。
66.优选地，所述电极为合金电极，所述合金电极的元素为w、c和co。
67.可以理解地，所述电源为脉冲电源，脉冲宽度为2μs
‑
200000μs，脉冲间隔为2μs
‑
200000μs。调整所述电极和wc
‑
co合金的间隙产生电弧等离子体，优选地，所述放电间隙，即所述电极的放电端与所述wc
‑
co合金的表面的距离为0.1mm
‑
100mm。该距离可使电弧等离子体能够作用于电极和wc
‑
co合金，并能保证流体介质通过时，具有很大的压力。所述电弧等离子体的中心温度高达10000k，可熔化绝大多数的合金，wc
‑
co合金表面在其作用下熔融，形成半径范围在0.5mm
‑
2mm的微小熔坑，即熔融区，此时，电极相对于wc
‑
co合金作高速旋转的机械运动。
68.优选地，电源的供电参数还包括：间隙电压为10
‑
160v，放电电流为5a
‑
1000a。
69.当所述电极与所述电源的阳极连接时，优选地，控制所述电极以100r/min
‑
6000r/min的速度转动。
70.当所述wc
‑
co合金与所述电源的阳极连接时，优选地，控制所述电极以100r/min
‑
6000r/min的速度转动。
71.启动电源的同时，于所述电极和wc
‑
co合金之间引入流体介质。通过控制电极或wc
‑
co合金的相对转速、控制流体介质的流速，能够改变电弧等离子体的工作状态，在熔融区产生微小爆炸，将熔融区的材料粉碎并抛离，然后在流体介质中迅速冷凝成球形wc
‑
co粉体。
72.优选地，流体介质初始通入时的流速为0.5l/min
‑
500l/min。
73.本发明所述的热源熔覆是将待熔覆的合金粉末预先覆盖基体表面，然后采用热源在合金预覆层表面扫描，预覆层表面吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个合金预覆层及一部分基体熔化，热源离开后，熔化的金属快速凝固在基体表面形成合金熔覆层，即耐磨合金涂层。通过上述方法形成耐磨涂层，耐磨涂层与基体结合强度高，相互间具有较好的兼容性和结合性，涂层强度和耐磨性高。
74.在其中一个实施例中，所述热源熔覆中热源为激光、等离子体或电子束。当热源为激光时，即为激光熔覆，当热源为等离子体时，即为等离子体熔覆。
75.在其中一个实施例中，所述助熔剂为si粉末和/或b粉末。
76.硼和硅可以降低合金熔点以及起造渣作用以避免被氧化。
77.在其中一个实施例中，所述热源熔覆的工艺参数包括：焊接电流90a
‑
120a，焊接速度120mm/min
‑
140mm/min，送粉量30g/min
‑
45g/min，摆动宽度11mm
‑
17mm。
78.将所述wc
‑
co粉末、ni粉末和助熔剂混合至各成分均匀。
79.在其中一个实施例中，所述混合粉末覆盖的厚度为2mm
‑
5mm。
80.在其中一个实施例中，将所述混合粉末覆盖在基体的表面的步骤包括：
81.于基体表面形成镍层；
82.于将所述混合粉末覆盖在所述镍层上。
83.预先形成镍层，可以提高基体的表面与耐磨涂层之间的润湿性。
84.可选地，可以通过热源熔覆的方法在基体上形成镍层。
85.在其中一个实施例中，将ni粉末覆盖在基体的表面，采用热源熔覆的方法加工所述镍粉，制备镍层。
86.在其中一个实施例中，所述ni粉末覆盖的厚度为1mm
‑
3mm。
87.可以理解地，本发明覆盖所述混合粉末或ni粉末前，还包括对基体进行清洗、去污和喷砂等常规前处理操作。
88.本发明还提供一种由上述制备方法制备的耐磨涂层。所述涂层耐磨性能优异。
89.以下结合具体实施例和对比例进行进一步说明，以下具体实施例中所涉及的原料，若无特殊说明，均可来源于市售，所使用的仪器，若无特殊说明，均可来源于市售。
90.实施例1
91.本实施例提供一种耐磨涂层及其制备方法，步骤如下：
92.1)制备wc
‑
co粉末
93.取wc
‑
co合金，其中，wc和co的质量比为5:1，w和c的摩尔比为1:1，将其电连接到电源的负极。将设置有单管的石墨电极电连接电源的正极。
94.电源为脉冲电源，设置供电参数：60v，放电电流为600a，启动电源，电极以4000r/min的转速，绕主轴360
°
旋转，通过运动控制系统，调整电极与wc
‑
co合金的距离为1mm，在两者的放电间隙产生高能量的电弧等离子体，电弧等离子体作用在wc
‑
co合金上，高能量使一部分wc
‑
co合金熔融，形成熔融区，同时从电极的中空腔内引入蒸馏水并流向wc
‑
co合金，通入时，其流速为50l/min，在旋转的电极和蒸馏水流场作用下，放电间隙内的电弧等离子工作形态发生改变，观察到熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成wc
‑
co粉末。
95.2)制备混合粉末
96.按照以下质量百分比称取以下组分：30％wc
‑
co粉末、65％ni粉末和5％si粉末(助溶剂)。
97.将上述粉末混合2h，得混合粉末。
98.3)制备耐磨涂层
99.以q235/45#钢作为基体，对其进行清洗、去污和喷砂的前处理。
100.将ni粉末覆盖在前处理后的基体上，覆盖厚度为3mm，形成第一预覆层，然后采用激光在第一预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，第一预覆层ni粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第一预覆层及一部分基体熔化，撤去激光，熔化的ni快速凝固在基体表面形成镍层。
101.将步骤2)制备的混合粉末覆盖在镍层上，覆盖厚度为2mm，形成第二预覆层，然后采用激光在第二预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，第二预覆层合金粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第二预覆层及一部分镍层熔化，撤去激光，熔化的合金快速凝固在镍层表面形成耐磨涂层。
102.实施例2
103.本实施例提供一种耐磨涂层及其制备方法，与实施例1的主要区别在于，混合粉末各元素质量比不同。步骤如下：
104.1)制备wc
‑
co粉末
105.取wc
‑
co合金，其中，wc和co的质量比为5:1，w和c的摩尔比为1：1，将其电连接到电源的负极。将设置有单管的石墨电极电连接电源的正极。
106.电源为脉冲电源，设置供电参数：60v，放电电流为600a，启动电源，电极以4000r/min的转速，绕主轴360
°
旋转，通过运动控制系统，调整电极与wc
‑
co合金的距离为1mm，在两
者的放电间隙产生高能量的电弧等离子体，电弧等离子体作用在wc
‑
co合金上，高能量使一部分wc
‑
co合金熔融，形成熔融区，同时从电极的中空腔内引入蒸馏水并流向wc
‑
co合金，通入时，其流速为50l/min，在旋转的电极和蒸馏水流场作用下，放电间隙内的电弧等离子工作形态发生改变，观察到熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成wc
‑
co粉末。
107.2)制备混合粉末
108.按照以下质量百分比称取以下组分：10％wc
‑
co粉末、80％ni粉末和10％si粉末(助溶剂)。
109.将上述粉末混合2h，得混合粉末。
110.3)制备耐磨涂层
111.以q235/45#钢作为基体，对其进行清洗、去污和喷砂的前处理。
112.对基体进行清洗、去污和喷砂的前处理。
113.将ni粉末覆盖在前处理后的基体上，覆盖厚度为3mm，形成第一预覆层，然后采用激光在第一预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，第一预覆层ni粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第一预覆层及一部分基体熔化，撤去激光，熔化的ni快速凝固在基体表面形成镍层。
114.将步骤2)制备的混合粉末覆盖在镍层上，覆盖厚度为2mm，形成第二预覆层，然后采用激光在第二预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，第二预覆层合金粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第二预覆层及一部分镍层熔化，撤去激光，熔化的合金快速凝固在镍层表面形成耐磨涂层。
115.实施例3
116.本实施例提供一种耐磨涂层及其制备方法，与实施例1的主要区别在于，没有镍层，步骤如下：
117.1)制备wc
‑
co粉末
118.取wc
‑
co合金，其中，wc和co的质量比为5:1，w和c的摩尔比为1:1，将其电连接到电源的负极。将设置有单管的石墨电极电连接电源的正极。
119.电源为脉冲电源，设置供电参数：60v，放电电流为600a，启动电源，电极以4000r/min的转速，绕主轴360
°
旋转，通过运动控制系统，调整电极与wc
‑
co合金的距离为1mm，在两者的放电间隙产生高能量的电弧等离子体，电弧等离子体作用在wc
‑
co合金上，高能量使一部分wc
‑
co合金熔融，形成熔融区，同时从电极的中空腔内引入蒸馏水并流向wc
‑
co合金，通入时，其流速为50l/min，在旋转的电极和蒸馏水流场作用下，放电间隙内的电弧等离子工作形态发生改变，观察到熔融区产生微小爆炸，粉碎并抛离位于所述熔融区的材料，最后在蒸馏水中冷凝成wc
‑
co粉末。
120.2)制备混合粉末
121.按照以下质量百分比称取以下组分：30％wc
‑
co粉末、65％ni粉末和5％si粉末(助溶剂)。
122.将上述粉末混合2h，得混合粉末。
123.3)制备耐磨涂层
124.以q235/45#钢作为基体，对其进行清洗、去污和喷砂的前处理。
125.将混合粉末覆盖在前处理后的基体上，覆盖厚度为3mm，形成预覆层，然后采用激光在预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，预覆层合金粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第二预覆层及一部分基体熔化，撤去激光，熔化的合金快速凝固在基体表面形成耐磨涂层。
126.对比例1
127.1)制备混合粉末
128.按照以下质量百分比称取以下组分：25％wc粉末、5％co粉末、65％ni粉末和5％si粉末(助溶剂)。
129.将上述粉末混合2h，得混合粉末。
130.2)制备耐磨涂层
131.以q235/45#钢作为基体，对其进行清洗、去污和喷砂的前处理。
132.将混合粉末覆盖在前处理后的基体上，覆盖厚度为3mm，形成预覆层，然后采用激光在预覆层表面扫描，焊接电流在100
‑
110a内变化，焊接速度120mm/min，送粉量30g/min，摆动宽度11mm，预覆层合金粉末吸收能量温度升高并熔化。同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个第二预覆层及一部分基体熔化，撤去激光，熔化的合金快速凝固在基体表面形成耐磨涂层。
133.采用洛氏硬度计，测试实施例1
‑
3和对比例1的涂层硬度，结果为显示：相对于对比例1，实施例1的硬度值提升了10％，实施例2的硬度值提升了15％，实施例3的硬度值提升了12％，硬度增加，说明了耐磨涂层的耐磨性越优越。
134.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
135.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。