本發(fā)明涉及涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于電火花放電的涂層制備方法及裝置。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，金屬材料廣泛應(yīng)用于模具生產(chǎn)，由于在高溫環(huán)境中，模具鋼材料表面容易受到腐蝕并且耐磨性大大改變，因此要在模具鋼材料表面制備保護涂層，且要求這種涂層具有耐高溫、抗氧化和抗沖擊磨損的特性。國內(nèi)外學(xué)者針對熱作模具鋼表面進行處理的研究方法主要為：表面載能束熱處理和物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、激光強化等表面強化新技術(shù)。其中，表面載能束熱處理包括熱噴涂技術(shù)，該技術(shù)性能優(yōu)異，涂層結(jié)合強度較高，且致密，耐磨損性能優(yōu)越，應(yīng)用前景良好，但是成本較高，靈活性較差；激光強化表面技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠獲得與金屬形成良好冶金結(jié)合的涂層，致密度較高，但是主要的技術(shù)缺陷在于涂層具有較高的裂紋敏感性。

電火花沉積技術(shù)是近十幾年迅速發(fā)展的新興技術(shù)，該技術(shù)包括：在電極之間形成脈沖電流、瞬間放出火花、產(chǎn)生高溫、將電極融化到基體表面和基體材料結(jié)合成表面涂層，所得涂層具有良好的紅硬性和耐磨性，成本較低，靈活性較強。目前，大部分學(xué)者采用的以基體材料為電極的做法的弊端是會同時融化金屬層，使涂層純度不高，從而相應(yīng)的性能會有所下降。因此，開發(fā)一種涂層純度較高、涂層結(jié)合強度和力學(xué)性能較好的基于電火花放電的涂層制備方法及裝置是本領(lǐng)域技術(shù)人員要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：基于現(xiàn)有的表面涂層技術(shù)中存在的涂層純度不高、力學(xué)性能較差的問題，提供一種涂層純度較高、涂層結(jié)合強度和力學(xué)性能較好、加工效率較高、加工成本較低、適用于復(fù)雜型面加工(如熱作模具表面)的基于電火花放電的涂層制備方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

將作為電極的正極靶材、負(fù)極靶材分別與脈沖電源正極負(fù)極相連，并通過伺服控制系統(tǒng)勻速移動，同時保持正極靶材、負(fù)極靶材電火花放電所需要的距離，在放電過程中用高速氣流對正極靶材、負(fù)極靶材放電區(qū)域進行沖涮，使由正極靶材、負(fù)極靶材放電而產(chǎn)生的熔化和氣化的產(chǎn)物在高速氣流的作用下高速沖擊在基體材料表面，然后凝固形成具有厚度的涂層。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發(fā)生裝置、設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口處的基體材料、對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口與基體材料之間的正極靶材和負(fù)極靶材，正極靶材、負(fù)極靶材分別與脈沖電源和伺服控制系統(tǒng)連接。

進一步限定，所述高速氣流發(fā)生裝置包括：儲氣罐、與儲氣罐依次連接的增壓裝置和高壓氣體噴頭。

進一步限定，所述靶材為電阻率小于1Ω·cm的導(dǎo)電材料。

進一步限定，所述靶材為柱體形狀，正極靶材和負(fù)極靶材分別以陣列形式對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口下側(cè)的外周圍，正極靶材與負(fù)極靶材間隙為0.1-10mm。

進一步限定，所述靶材為塊體形狀，正極靶材和負(fù)極靶材對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口與基體材料之間，正極靶材與負(fù)極靶材間隙為0.1-10mm。

進一步限定，所述的高速氣體為氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣中的一種；所述的高速氣體的速度為100-2000m/s；所述的脈沖電源放電電流為1-100A，脈寬為0.1-10000μs，占空比為1:10-10:1。

本發(fā)明的技術(shù)方案是通過電火花方法產(chǎn)生的高溫能量使靶材局部熔化和氣化，并利用高速流動的惰性氣體使熔化和氣化的材料高速沖擊在基體材料表面，最終冷卻凝固，形成厚度為10-500μm的涂層，制備成本較低、效率較高，具體有益效果如下：

(1)本發(fā)明的制備方法中的涂層材料均來自于靶材，實現(xiàn)了靶材放電區(qū)與基體材料的零接觸，可有效保證制備涂層純度，提高涂層性能；

(2)本發(fā)明的制備方法采用高速惰性氣體對電極放電區(qū)域進行沖涮的技術(shù)方案，可大幅度提高電火花放電過程中的材料去除效率，從而進一步提高涂層的制備效率；同時，熔化和氣化的材料在高速流動的惰性的作用下，高速撞擊在基體表面可提高涂層與基體材料的結(jié)合性能；且惰性氣體能有效保護涂層區(qū)域不出現(xiàn)氧化；

(3)本發(fā)明的制備方法中的靶材可以為任何導(dǎo)電材料，從而可以滿足廣泛使用需求，當(dāng)采用陣列電極時，制備效率可大幅度提高。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明；

圖1是本發(fā)明的基于電火花放電的涂層制備的原理圖；

圖2本發(fā)明的基于陣列電極制備涂層的原理圖；

圖3為圖2中A區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖4為圖2中A區(qū)域陰影部分放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中，1.正極靶材，2.負(fù)極靶材，3.脈沖電源，4.伺服控制系統(tǒng)，5.基體材料，61.儲氣罐，62.增壓裝置，63.高壓氣體噴頭，7.WC涂層，8.套管式夾具,9.TiN涂層。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

靶材材料為圓柱塊狀的WC棒，首先將作為電極的正極靶材1、負(fù)極靶材2分別與脈沖電源3正極負(fù)極相連，并通過伺服控制系統(tǒng)4控制使正極靶材1、負(fù)極靶材2分別勻速移動，同時保持正極靶材1、負(fù)極靶材2電火花放電所需要的距離為0.2mm，開路電壓為200V，在放電過程中用高速氬氣氣流對正極靶材1、負(fù)極靶材2放電區(qū)域進行沖涮，使由正極靶材1、負(fù)極靶材2放電而產(chǎn)生的熔化和氣化的WC產(chǎn)物在高速氣流的作用下高速沖擊在表面平整的H13熱作模具鋼的基體材料5表面，然后凝固形成155μm厚度的WC涂層7。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發(fā)生裝置、設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口處的基體材料5、對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口與基體材料5之間的正極靶材1和負(fù)極靶材2，正極靶材1、負(fù)極靶材2分別與脈沖電源3和伺服控制系統(tǒng)4連接。

上述技術(shù)方案中，所述高速氣流發(fā)生裝置包括：儲氣罐61、與儲氣罐61依次通過管道連接的增壓裝置62和高壓氣體噴頭63；正極靶材1或負(fù)極靶材2均為電阻率小于1Ω·cm的導(dǎo)電材料；靶材為塊體形狀，正極靶材1和負(fù)極靶材2對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口與基體材料5之間，所述高速氬氣氣體的速度為1100m/s；脈沖電源放電電流為50A，脈寬為100μs，占空比為1:10。

實驗完成后對上述WC涂層7進行硬度測試，得出涂層平均硬度為170HRC，而H13熱作模具鋼硬度為54HRC，涂層的硬度為基體材料硬度的3倍，且表面無明顯裂紋，結(jié)果證明這種方法能明顯提高材料的承載能力。然后使用摩擦磨損試驗機進行實驗，摩擦副為300號砂紙，粒度為200μm，載荷為1kg，磨程為600m，涂層磨損體積為1.6×10^-2mm³，H13熱作模具鋼磨損體積為3.5×10^-2mm³，涂層耐磨性是基體材料的2.2倍，證明涂層耐磨性大大增加。

實施例2

如圖2所示，一種基于電火花放電的涂層制備方法，該制備方法包括如下過程：

靶材材料為圓柱體狀的工業(yè)純鈦TA2棒，直徑5mm，正極靶材1和負(fù)極靶材2一共各四根TA2棒分別以陣列形式對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口下側(cè)的外周圍，如圖3所示(圖3所示為八根TA2棒B、C、D、E和b、c、d、e通過套管式夾具8以陣列形式對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口下側(cè)的外周圍)，正極靶材1和負(fù)極靶材2之間的間距為0.3mm?；w材料5為圓柱狀45鋼，通過固定旋轉(zhuǎn)裝置把基體材料5固定并以轉(zhuǎn)速為60r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn)。

首先將作為電極的正極靶材1、負(fù)極靶材2分別與相互隔離的四組脈沖電源3正極負(fù)極相連，并通過伺服控制系統(tǒng)4控制套管式夾具8使正極靶材1、負(fù)極靶材2分別勻速移動，從而使相互正對著的兩TA2棒能產(chǎn)生電火花放電，即在同一時刻能產(chǎn)生4次放電，開路電壓為300V，在放電過程中用高速高純氮氣氣流對正極靶材1、負(fù)極靶材2放電區(qū)域進行沖涮，使由正極靶材1、負(fù)極靶材2放電而產(chǎn)生的熔化和氣化的TA2產(chǎn)物在高速氣流的作用下高速沖擊在圓柱狀45鋼的基體材料5表面，然后凝固形成40μm厚度的TiN涂層9。

一種基于上述電火花放電的涂層制備方法的裝置，該裝置包括：高速氣流發(fā)生裝置、設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口處的基體材料5、對稱設(shè)置在高速氣流發(fā)生裝置氣流出口與基體材料5之間的正極靶材1和負(fù)極靶材2，正極靶材1、負(fù)極靶材2分別與脈沖電源3和伺服控制系統(tǒng)4連接。

上述技術(shù)方案中，所述高速氣流發(fā)生裝置包括：儲氣罐61、與儲氣罐61依次通過管道連接的增壓裝置62和高壓氣體噴頭63，高壓氣體噴頭63與套管式夾具8之間及正極靶材1和負(fù)極靶材2之間均設(shè)置有絕緣層；正極靶材1或負(fù)極靶材2均為電阻率小于1Ω·cm的導(dǎo)電材料；所述高速高純氮氣氣體的速度為1500m/s，既可做為保護氣，同時也是涂層中N的來源；脈沖電源放電電流為60A，脈寬為200μs，占空比為1:5。

實驗完成后對TiN涂層9進行顯微硬度測試，采用HVS-1000型顯微硬度計測量，實驗加載100g，保荷時間10s，表層10μm處的顯微硬度最高達1600HV，是基體硬度(269HV)的5倍以上，且表面無明顯裂紋，結(jié)果證明這種方法能有效地提高材料的承載能力；然后采用型號為MM-200型環(huán)-塊摩擦磨損試驗機進行磨損試驗，試樣軸轉(zhuǎn)速200r/min，法向載荷50N，磨損時間30min，其中涂層磨損失重0.0011g，而基體材料失重0.0071g，證明制備涂層后耐磨性大大增加。