一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，涉及材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明的特征在于，首先利用激光熔凝方法處理輕金屬表面，然后將合金化用金屬粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的輕金屬表面，最后在中溫條件下通過激光噴丸處理預(yù)置粉末的輕金屬表面，加速預(yù)置粉末與金屬基體的擴(kuò)散反應(yīng)，制得表面化合物涂層。本發(fā)明降低了化合物涂層的形成溫度，增加了表面化合物涂層的厚度，細(xì)化了表面化合物涂層的微觀組織，顯著提高了輕金屬表面性能。本發(fā)明工藝過程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【專利說明】一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]輕金屬及其合金因其優(yōu)異的性能已被廣泛應(yīng)用或顯示出廣泛的應(yīng)用前景。但是，它們?nèi)匀淮嬖谧陨淼囊恍┤秉c(diǎn)，如鋁及鋁合金耐磨性差、鎂及鎂合金耐腐蝕性差等，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。表面改性能夠在保持材料整體性能的前提下克服其耐磨和耐腐蝕性能差等缺點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外眾多研究者的關(guān)注。
[0003]化合物涂層通常具有優(yōu)良的耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化等性能，因此化合物涂層的制備得到了廣泛的研究。目前，化合物涂層的制備方法有熱噴涂、冷噴涂、激光熔覆、擴(kuò)散滲等，其中，擴(kuò)散滲是在金屬基體表面通過原位擴(kuò)散反應(yīng)生成化合物涂層，能夠避免界面結(jié)合差、致密性差、易產(chǎn)生裂紋等缺點(diǎn)，是制備高性能化合物涂層的有效方法。但是，傳統(tǒng)的擴(kuò)散滲，如滲招，存在溫度高、時(shí)間長(zhǎng)、滲層淺、耗能大、成本高、滲件加工性能差等問題，嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，加速表面擴(kuò)散反應(yīng)進(jìn)行，促進(jìn)表面化合物涂層的形成成為人們追求的目標(biāo)。表面微觀結(jié)構(gòu)是影響表面擴(kuò)散反應(yīng)的重要因素。表面晶粒細(xì)化和表面缺陷都有利于加速表面擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行。目前主要采用的方法是先通過機(jī)械研磨或激光噴丸細(xì)化表面晶粒組織，再進(jìn)行化學(xué)熱處理來制備化合物涂層，但是，后續(xù)加熱不僅會(huì)使細(xì)化的晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，阻礙進(jìn)一步擴(kuò)散反應(yīng)，而且形成的化合物涂層組織也會(huì)長(zhǎng)大，不利于其性能的提高。與本發(fā)明最接近的是專利號(hào)為CN1316056C的專利申請(qǐng)，其提出一種加速制備合金涂層的方法，是在封閉容器內(nèi)通過介質(zhì)球 的機(jī)械撞擊和熱能來制備合金涂層，該方法雖然能夠制備合金涂層，但自身還存在一些不足，首先，該方法未預(yù)先進(jìn)行表面組織細(xì)化，初始擴(kuò)散反應(yīng)較慢，加之沖擊力較小，應(yīng)變率較低，沖擊效應(yīng)淺，不利于短時(shí)間內(nèi)獲得深的化合物涂層；其次，有質(zhì)彈丸能夠粘附粉末，造成金屬粉末浪費(fèi)，進(jìn)一步降低沖擊效應(yīng)；最后，封閉容器無法處理大面積零件，而有質(zhì)彈丸難以處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件。
[0004]針對(duì)以上問題，本發(fā)明提出一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，主要是先通過激光熔凝來細(xì)化金屬表面組織，為后續(xù)擴(kuò)散反應(yīng)做組織準(zhǔn)備，提供更多擴(kuò)散通道，再在中溫條件下通過激光噴丸方法沖擊輕金屬表面預(yù)置粉末，在強(qiáng)烈沖擊能和熱能的共同作用下加速預(yù)置粉末與金屬基體的擴(kuò)散反應(yīng)，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，另外激光噴丸能夠進(jìn)一步細(xì)化表面化合物涂層組織，從而獲得成分均勻、組織致密細(xì)小、厚度大的表面化合物涂層，顯著提高輕金屬表面性能。此工藝過程簡(jiǎn)單，無污染，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以在輕金屬表面制備出高性能的化合物涂層，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有方法存在的問題，提供一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，借助激光熔凝和中溫條件激光噴丸加速預(yù)置粉末與金屬基體的擴(kuò)散反應(yīng)，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，并細(xì)化表面化合物涂層，形成一層高性能的成分均勻、組織致密細(xì)小、厚度大的表面化合物涂層。
[0006]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:采用激光熔凝和中溫條件激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備高性能的化合物涂層，有效提高輕金屬表面性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。其步驟為:
1)將輕金屬表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)將輕金屬表面進(jìn)行激光熔凝處理，細(xì)化表面晶粒；
3)將擴(kuò)散反應(yīng)用金屬粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的輕金屬表面；
4)用鋁箔作為吸收層和塑性包覆層，將步驟3)中預(yù)置粉末后的輕金屬進(jìn)行整體包覆，鋁箔在充當(dāng)激光吸收層的同時(shí)，約束金屬粉末，避免金屬粉末產(chǎn)生沖擊飛濺和脫落；
5)將步驟4)中包覆好鋁箔的輕金屬固定在加熱工作臺(tái)上，采用耐高溫玻璃為約束層，用納秒脈沖激光器進(jìn)行中溫激光噴丸處理，制得表面化合物涂層。
[0007]所述的輕金屬為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂或鎂合金。
[0008]所述的激光熔凝采用連續(xù)CO2激光器，參數(shù)為:激光功率為1KW-5KW，掃描速度為5mm/s -50mm/s,光斑直徑為搭接率為 20%_50%。
[0009]所述的金屬粉末為金屬鋁粉、金屬鋅粉或金屬鎳粉。
[0010]所述的金屬粉末的平均直徑為IOnm-1OO μ m。
[0011]所述的預(yù)置粉末的輕金屬為預(yù)置金屬鎳粉末的金屬鋁或鋁合金、預(yù)置金屬鋅粉末的金屬鋁或鋁合金、或者預(yù)置金屬鋁粉末的金屬鎂或鎂合金
所述的鋁箔的厚度為20 μ m-40 μ m。
[0012]所述的中溫激光噴丸處理的溫度為400°C -600°C。
[0013]所述的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為lGW/cm2-10GW/cm2，激光脈寬為5ns-40ns，光斑直徑為 0.5mm-10mm，搭接率為 20%_80%。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:激光熔凝使輕金屬表面經(jīng)歷快熔-快凝過程，能夠有效細(xì)化表面晶粒組織，為預(yù)置粉末原子提供更多擴(kuò)散通道，加速擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行，為后續(xù)中溫激光噴丸做好組織準(zhǔn)備；中溫激光噴丸能夠同時(shí)產(chǎn)生熱能激活和高能沖擊激活作用，進(jìn)一步加速預(yù)置粉末與輕金屬表面擴(kuò)散反應(yīng)的進(jìn)行，降低化合物涂層的形成溫度，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，而且激光噴丸沖擊力高，應(yīng)變率大，作用深度深，有利于增加表面化合物涂層的厚度，并能夠進(jìn)一步細(xì)化表面化合物涂層的微觀組織，提高表面涂層性能；此外，激光可控性好，加工柔性高，能夠處理大面積和結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件。本發(fā)明集激光熱力效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)于一體，通過組織準(zhǔn)備及熱能和機(jī)械能激活作用的配合，制備出高性能的表面化合物涂層，顯著提高輕金屬的表面性能。
【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明中高性能表面化合物涂層是通過激光熔凝和中溫條件激光噴丸相結(jié)合的復(fù)合方法制備而成。首先將輕金屬表面打磨和拋光，并清洗干凈，然后通過激光熔凝處理輕金屬表面，細(xì)化表面組織，并將金屬粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的輕金屬表面，最后用鋁箔整體包覆預(yù)置粉末的輕金屬，采用耐高溫玻璃為約束層，通過中溫激光噴丸進(jìn)行處理，制得表面化合物涂層。本發(fā)明加速了預(yù)置粉末與金屬基體的擴(kuò)散反應(yīng)，降低了化合物涂層的形成溫度，增加了表面化合物涂層的厚度，細(xì)化了表面化合物涂層的微觀組織，顯著提高了輕金屬表面性能。此工藝過程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過本發(fā)明可以在輕金屬表面制備出高性能的化合物涂層，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。
[0016]實(shí)施例1:
1)將金屬鋁表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)將金屬鋁表面進(jìn)行激光熔凝處理，激光功率為1KW，掃描速度為5mm/s，光斑直徑為2mm，搭接率為20%，細(xì)化表面晶粒；
3)將IOnm的金屬鎳粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的金屬鋁表面；
4)用40μ m鋁箔作為吸收層和塑性包覆層，將預(yù)置鎳粉末的金屬鋁進(jìn)行整體包覆，鋁箔在充當(dāng)激光吸收層的同時(shí)，起到約束金屬粉末的作用，避免金屬粉末產(chǎn)生沖擊飛濺和脫落； 5)將包覆好的預(yù)置鎳粉末的金屬鋁固定在加熱工作臺(tái)上，采用耐高溫玻璃為約束層，加熱到400°C后用納秒脈沖激光器進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為lOGW/cm2，激光脈寬為40ns，光斑直徑為10mm，搭接率為80%，制得表面化合物涂層。
[0017]采用顯微硬度計(jì)測(cè)試金屬鋁表面和化合物涂層的硬度，結(jié)果表明，本發(fā)明制備的化合物涂層的硬度為487HV，遠(yuǎn)高于金屬鋁表面硬度?？梢姡ㄟ^本發(fā)明可以在輕金屬表面制備出高性能的化合物涂層。
[0018]實(shí)施例2:
1)將AZ31鎂合金表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)將鎂合金表面進(jìn)行激光熔凝處理，激光功率為2KW，掃描速度為15mm/s，光斑直徑為3mm，搭接率為30%，細(xì)化表面晶粒；
3)將10μ m的金屬鋁粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的鋁合金表面；
4)用20μ m鋁箔作為吸收層和塑性包覆層，將預(yù)置鋁粉末的鎂合金進(jìn)行整體包覆，鋁箔在充當(dāng)激光吸收層的同時(shí)，起到約束金屬粉末的作用，避免金屬粉末產(chǎn)生沖擊飛濺和脫落；
5)將包覆好的預(yù)置鋁粉末的鎂合金固定在加熱工作臺(tái)上，采用耐高溫玻璃為約束層，加熱到500°C后用納秒脈沖激光器進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為5GW/cm2，激光脈寬為20ns，光斑直徑為5mm，搭接率為50%，制得表面化合物涂層。
[0019]采用腐蝕試驗(yàn)測(cè)試鎂合金表面和化合物涂層的耐腐蝕性能，結(jié)果表明，本發(fā)明制備的化合物涂層出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)的時(shí)間大于80h，遠(yuǎn)高于鎂合金表面出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)的時(shí)間?？梢?，通過本發(fā)明可以在輕金屬表面制備出高性能的化合物涂層。
[0020]實(shí)施例3:
1)將ZLlOl鋁合金表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)將鋁合金表面進(jìn)行激光熔凝處理，激光功率為5KW，掃描速度為50mm/s，光斑直徑為5mm，搭接率為50%，細(xì)化表面晶粒；
3)將100μ m的金屬鋅粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的鋁合金表面；
4)用30μ m鋁箔作為吸收層和塑性包覆層，將預(yù)置鋅粉末的鋁合金進(jìn)行整體包覆，鋁箔在充當(dāng)激光吸收層的同時(shí)，起到約束金屬粉末的作用，避免金屬粉末產(chǎn)生沖擊飛濺和脫落；5)將包覆好的預(yù)置鋅粉末的鋁合金固定在加熱工作臺(tái)上，采用耐高溫玻璃為約束層，加熱到600°C后用納秒脈沖激光器進(jìn)行激光噴丸處理，激光功率密度為lGW/cm2，激光脈寬為5ns，光斑直徑為0.5mm，搭接率為20%，制得表面化合物涂層。
[0021]采用顯微硬度計(jì)測(cè)試鋁合金表面和化合物涂層的硬度，結(jié)果表明，本發(fā)明制備的化合物涂層的硬度為201HV，遠(yuǎn)高于鋁合金表面硬度?？梢?，通過本發(fā)明可以在輕金屬表面制備出高性能的化合物涂層·。
【權(quán)利要求】
1.一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，利用激光熔凝和中溫條件激光噴丸方法加速輕金屬表面預(yù)置粉末與金屬基體的擴(kuò)散反應(yīng)，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，獲得成分均勻、組織致密細(xì)小、厚度大的表面化合物涂層，提高輕金屬表面性能；具體步驟為: A)將輕金屬表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗； B)將輕金屬表面進(jìn)行激光熔凝處理，細(xì)化表面晶粒； C)將擴(kuò)散反應(yīng)用金屬粉末預(yù)置于激光熔凝處理后的輕金屬表面； D)用鋁箔作為吸收層和塑性包覆層，將步驟C)中預(yù)置粉末后的輕金屬進(jìn)行整體包覆，鋁箔在充當(dāng)激光吸收層的同時(shí)，約束金屬粉末，避免金屬粉末產(chǎn)生沖擊飛濺和脫落； E)將步驟D)中包覆好鋁箔的輕金屬固定在加熱工作臺(tái)上，采用耐高溫玻璃為約束層，用納秒脈沖激光器進(jìn)行中溫激光噴丸處理，制得表面化合物涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟A)的輕金屬為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂或鎂合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟B)的激光熔凝采用連續(xù)CO2激光器，參數(shù)為:激光功率為1KW-5KW，掃描速度為5 mm/s-50mm/s，光斑直徑為2mm-5mm，搭接率為20%_50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟C)的金屬粉末為金屬鋁粉、金屬鋅粉或金屬鎳粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟C)的金屬粉末的平均直徑為IOnm-1OO μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟D)的預(yù)置粉末的輕金屬為預(yù)置金屬鎳粉末的金屬鋁或鋁合金、預(yù)置金屬鋅粉末的金屬鋁或鋁合金、或者預(yù)置金屬鋁粉末的金屬鎂或鎂合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟D)的鋁箔的厚度為20 μ m-40 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟E)的中溫激光噴丸處理的溫度為400°C -600°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕金屬表面化合物涂層的制備方法，其特征在于，所述步驟E)的激光噴丸處理參數(shù)為:激光功率密度為1GW/Cm2-10GW/Cm2，激光脈寬為5ns-40ns，光斑直徑為0.5mm-10mm，搭接率為20%_80%。
【文檔編號(hào)】C23C24/08GK103710694SQ201310701052
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月19日
【發(fā)明者】崔承云, 崔熙貴, 周建忠, 許曉靜, 張朝陽 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)