基于電火花放電的涂層制備裝置的制作方法

本實(shí)用新型涉及涂層制備裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種基于電火花放電的涂層制備裝置。

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(hù)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)熱作模具鋼表面進(jìn)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(qiáng)化等表面強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)化表面技術(shù)的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)。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(huì)同時(shí)融化金屬層，使涂層純度不高，從而相應(yīng)的性能會(huì)有所下降。因此，開(kāi)發(fā)一種涂層純度較高、涂層結(jié)合強(qiáng)度和力學(xué)性能較好的基于電火花放電的涂層制備裝置是本領(lǐng)域技術(shù)人員要解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)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(wèn)題，提供一種涂層純度較高、涂層結(jié)合強(qiáng)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。

本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：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(duì)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(jìn)一步限定，所述高速氣流發(fā)生裝置包括：儲(chǔ)氣罐、與儲(chǔ)氣罐依次連接的增壓裝置和高壓氣體噴頭。

進(jìn)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(duì)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(jìn)一步限定，所述靶材為塊體形狀，正極靶材和負(fù)極靶材對(duì)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。

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(guò)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(guò)伺服控制系統(tǒng)勻速移動(dòng)，同時(shí)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(guò)程中用高速氣流對(duì)正極靶材、負(fù)極靶材放電區(qū)域進(jìn)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?zèng)_擊在基體材料表面，然后凝固形成具有厚度的涂層。

進(jìn)一步限定，所述靶材為電阻率小于1Ω·cm的導(dǎo)電材料。

進(jìn)一步限定，所述的高速氣體為氮?dú)?、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。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是通過(guò)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(dòng)的惰性氣體使熔化和氣化的材料高速?zèng)_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)本實(shí)用新型的制備裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，可使得制備所得涂層材料均來(lái)自于靶材，實(shí)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)本實(shí)用新型的制備裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得使用者可采用高速惰性氣體對(duì)電極放電區(qū)域進(jìn)行沖涮，可大幅度提高電火花放電過(guò)程中的材料去除效率，從而進(jìn)一步提高涂層的制備效率；同時(shí)，熔化和氣化的材料在高速流動(dòng)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(hù)涂層區(qū)域不出現(xiàn)氧化；

(3)本實(shí)用新型的制備裝置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(shí)，制備效率可大幅度提高。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖做簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1是本實(shí)用新型的基于電火花放電的涂層制備的原理圖；

圖2本實(shí)用新型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(chǔ)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(shí)施方式

實(shí)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(guò)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(guò)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(dòng)，同時(shí)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(kāi)路電壓為200V，在放電過(guò)程中用高速氬氣氣流對(duì)正極靶材1、負(fù)極靶材2放電區(qū)域進(jìn)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?zèng)_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(duì)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(chǔ)氣罐61、與儲(chǔ)氣罐61依次通過(guò)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(duì)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(shí)驗(yàn)完成后對(duì)上述WC涂層7進(jìn)行硬度測(cè)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(wú)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(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，摩擦副為300號(hào)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(shí)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(guò)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(duì)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(guò)套管式夾具8以陣列形式對(duì)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(guò)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(guò)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(dòng)，從而使相互正對(duì)著的兩TA2棒能產(chǎn)生電火花放電，即在同一時(shí)刻能產(chǎn)生4次放電，開(kāi)路電壓為300V，在放電過(guò)程中用高速高純氮?dú)鈿饬鲗?duì)正極靶材1、負(fù)極靶材2放電區(qū)域進(jìn)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?zèng)_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(duì)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(chǔ)氣罐61、與儲(chǔ)氣罐61依次通過(guò)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?dú)鈿怏w的速度為1500m/s，既可做為保護(hù)氣，同時(shí)也是涂層中N的來(lái)源；脈沖電源放電電流為60A，脈寬為200μs，占空比為1:5。

實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)TiN涂層9進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，采用HVS-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)加載100g，保荷時(shí)間10s，表層10μm處的顯微硬度最高達(dá)1600HV，是基體硬度(269HV)的5倍以上，且表面無(wú)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(hào)為MM-200型環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試樣軸轉(zhuǎn)速200r/min，法向載荷50N，磨損時(shí)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。