一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，涉及材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】。其主要步驟為：1)將金屬材料表面進(jìn)行預(yù)處理；2)按化合物涂層成分選取并配比金屬或非金屬粉末；3)將配比的混合粉末通過(guò)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化；4)將機(jī)械活化的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的金屬材料表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)；5)用吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的金屬材料；6)以玻璃或流水為約束層，用激光沖擊處理材料表面預(yù)壓實(shí)粉末，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。本發(fā)明通過(guò)機(jī)械力誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層，節(jié)能環(huán)保，而且制得的化合物涂層組織細(xì)小、致密，結(jié)合強(qiáng)度高，顯著提高材料表面性能。本發(fā)明工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及材料表面【技術(shù)領(lǐng)域】，特指一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬材料作為重要的工程材料之一，已加工成各種金屬零部件，并廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域。金屬零部件在工程應(yīng)用過(guò)程中通常因磨損、腐蝕、高溫氧化等而發(fā)生失效，這嚴(yán)重限制了其應(yīng)用。金屬零部件的失效與其表面性能密切相關(guān)，因此，提高表面性能成為避免其發(fā)生失效，延長(zhǎng)使用壽命的重要手段。
[0003]表面改性技術(shù)能夠通過(guò)改變材料表面自身的成分和組織結(jié)構(gòu)或者在材料表面制備涂層來(lái)改善材料表面性能，是延長(zhǎng)金屬零部件使用壽命的重要方法?；衔锿繉右蚓哂袃?yōu)異的性能得到了廣泛的研究。至今，發(fā)展的化合物涂層的制備方法有很多，如熱噴涂、激光熔覆、磁控濺射、熱擴(kuò)散等，但是，這些方法都是在高溫條件下實(shí)現(xiàn)化合物涂層制備的，在制備過(guò)程中不可避免的氧化現(xiàn)象會(huì)顯著影響化合物涂層的性能。冷噴涂是一種新興涂層制備技術(shù)，其雖然可以解決高溫氧化問(wèn)題，但是由于金屬化合物塑性低，韌性差，所以通過(guò)冷噴涂難以直接制備化合物涂層，其通常需要通過(guò)后續(xù)熱處理將已噴涂涂層轉(zhuǎn)化為化合物涂層，不僅也無(wú)法避免高溫氧化問(wèn)題，而且工序繁瑣，廢時(shí)耗能，成本高。因此，發(fā)展一種化合物涂層低溫制備技術(shù)具有重要的工程實(shí)際意義。機(jī)械合金化表面涂覆技術(shù)是新發(fā)展的一種表面涂層的低溫制備方法，研究表明，其可以制備化合物涂層，提高材料表面性能，但是該方法處理零件的尺寸受球磨罐尺寸限制，無(wú)法處理大尺寸零部件，難以制備大面積化合物涂層，而且其不適合處理結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零部件。
[0004] 針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，主要是先通過(guò)高能球磨產(chǎn)生的機(jī)械活化作用增加混合粉末的反應(yīng)活性，降低粉末間化學(xué)反應(yīng)的激活能，再通過(guò)激光沖擊產(chǎn)生的高能沖擊波激發(fā)粉末間化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，同時(shí)細(xì)化與致密化涂層組織，形成與金屬基體界面結(jié)合良好的化合物涂層，提高金屬材料的表面性能。此工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過(guò)本發(fā)明可以在金屬材料表面制備出高性能的化合物涂層，延長(zhǎng)其使用壽命。

【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(wèn)題，提供一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，采用機(jī)械活化與激光沖擊相結(jié)合的復(fù)合方法激發(fā)混合粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，并細(xì)化與致密化涂層組織，提高界面結(jié)合，獲得組織細(xì)小、致密，結(jié)合強(qiáng)度高的化合物涂層。
[0006]本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是:采用機(jī)械活化與激光沖擊相結(jié)合的復(fù)合方法制備化合物涂層，有效提高金屬材料表面性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。具體步驟為:
A)將金屬材料表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；B)按化合物涂層成分選取并配比金屬或非金屬粉末的混合粉末；
C)將配比的混合粉末通過(guò)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化；
D)將均勻混合與機(jī)械活化后的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的金屬材料表面，并進(jìn)行預(yù)壓
實(shí)；
E)用吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的金屬材料；
F)以玻璃或流水為約束層，用激光沖擊處理材料表面預(yù)壓實(shí)粉末，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。
[0007]所述的金屬材料為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
[0008]所述的混合粉末為金屬粉末與非金屬娃粉構(gòu)成的混合粉末、金屬鎳粉與金屬鈦粉構(gòu)成的混合粉末、金屬鎳粉與金屬鋁粉構(gòu)成的混合粉末或者金屬鈦粉與金屬鋁粉構(gòu)成的混合粉末。
[0009]所述的金屬粉末為金屬鎳粉、金屬鈦粉、金屬鋁粉、金屬鎂粉、金屬鐵粉、金屬鉻粉、金屬鈷粉、金屬錳粉、金屬鈮粉、金屬鋯粉、金屬鑰粉或金屬釩粉。
[0010]所述的非金屬粉末為非金屬娃粉。
[0011]所述的粉末的平均直徑為20nm-100 μ m。
[0012]所述的機(jī)械活化采用氬氣為保護(hù)氣體。
[0013]所述的混合粉末預(yù)壓實(shí)的密度為最大理論密度的40%至90%。
[0014]所述的鋁箔的厚度為20 μ m-40 μ m。
[0015]所述的激光沖擊參數(shù)為:激光功率密度為3GW/cm2-10GW/cm2，激光脈寬為5ns-40ns，光斑直徑為 0.5mm-10mm，搭接率為 20%_80%。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:機(jī)械活化不僅能夠細(xì)化粉末晶粒組織，使晶格產(chǎn)生變形，內(nèi)能增加，缺陷增多，反應(yīng)活性增大，激活能降低，而且還能使較軟粉末發(fā)生塑性變形而扁平化，利于其包覆較硬粉末，增加粉末間接觸面積，縮短擴(kuò)散距離，增加反應(yīng)動(dòng)力，提高反應(yīng)速率，這為激光沖擊激發(fā)粉末間化學(xué)反應(yīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。激光沖擊能夠產(chǎn)生高能沖擊激活作用，激發(fā)粉末間化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，同時(shí)，高壓沖擊力能夠細(xì)化與致密化涂層組織，改善涂層性能，提高涂層與基體的界面結(jié)合；機(jī)械活化與激光沖擊相結(jié)合的復(fù)合方法能夠?qū)崿F(xiàn)化合物涂層的低溫制備，克服高溫氧化引起的涂層性能下降問(wèn)題，而且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，節(jié)能環(huán)保，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)；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)雜零部件。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明中化合物涂層是通過(guò)機(jī)械活化與激光沖擊相結(jié)合的復(fù)合方法制備而成。首先將金屬材料表面打磨和拋光，并清洗干凈，然后選取并配比混合粉末，將其機(jī)械活化后，預(yù)置于預(yù)處理的金屬材料表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，最后用鋁箔整體包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的金屬材料，采用玻璃或流水為約 層，通過(guò)激光沖擊誘導(dǎo)材料表面預(yù)壓實(shí)粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。本發(fā)明通過(guò)機(jī)械力誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了化合物涂層的低溫制備，節(jié)能環(huán)保，而且能夠細(xì)化與致密化涂層組織，改善涂層性能，提高涂層與基體的界面結(jié)合，從而顯著提高材料表面性能。此工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，易操作，適合于大規(guī)模批量化生產(chǎn)。因此，通過(guò)本發(fā)明可以在金屬材料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。
[0018]實(shí)施例1:
1)將304不銹鋼表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)選取50nm金屬鎳粉和20nm金屬鈦粉，并按原子比1:1進(jìn)行配比；
3)將配比的混合粉末在氬氣保護(hù)下通過(guò)高能球磨機(jī)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化；
4)將機(jī)械活化的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的不銹鋼表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，壓實(shí)密度為最大理論密度的90% ；
5)用20μ m的吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的不銹鋼；
6)以玻璃為約束層，用激光沖擊處理不銹鋼表面預(yù)壓實(shí)粉末，激光功率密度為3GW/cm2，激光脈寬為5ns，光斑直徑為10mm，搭接率為80%，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。
[0019]采用顯微硬度計(jì)測(cè)試不銹鋼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約為512HV，遠(yuǎn)高于不銹鋼表面硬度?？梢?jiàn)，通過(guò)本發(fā)明可以在金屬材料表面制備出高性能的化合物涂層。
[0020]實(shí)施例2:
1)將金屬鈦表面進(jìn)行 打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；
2)選取100μ m金屬鈦粉和30 μ m非金屬硅粉，并按原子比5:3進(jìn)行配比；
3)將配比的混合粉末在氬氣保護(hù)下通過(guò)高能球磨機(jī)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化；
4)將機(jī)械活化的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的金屬鈦表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，壓實(shí)密度為最大理論密度的40% ；
5)用40μ m的吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的金屬鈦；
6)以流水為約束層，用激光沖擊處理金屬鈦表面預(yù)壓實(shí)粉末，激光功率密度為6GW/cm2，激光脈寬為40ns，光斑直徑為0.5mm，搭接率為50%，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。
[0021]采用顯微硬度計(jì)測(cè)試金屬鈦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約為857HV，遠(yuǎn)高于金屬鈦表面硬度?？梢?jiàn)，通過(guò)本發(fā)明可以在金屬材料表面制備出高性能的化合物涂層。
[0022]實(shí)施例3:
1)將6061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)選取50nm金屬鎳粉和20μ m金屬鋁粉，并按原子比3:1進(jìn)行配比；
3)將配比的混合粉末在氬氣保護(hù)下通過(guò)高能球磨機(jī)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化；
4)將機(jī)械活化的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的鋁合金表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)，壓實(shí)密度為最大理論密度的60% ；
5)用30μ m的吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的鋁合金；
6)以玻璃為約束層，用激光沖擊處理鋁合金表面預(yù)壓實(shí)粉末，激光功率密度為IOGW/cm2，激光脈寬為25ns，光斑直徑為7mm，搭接率為20%，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。
[0023]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約為391HV，遠(yuǎn)高于鋁合金表面硬度?？梢?jiàn)，通過(guò)本發(fā)明可以在金屬材料表面制備出高性能的化合物涂`層。
【權(quán)利要求】
1.一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，采用機(jī)械活化與激光沖擊相結(jié)合的復(fù)合方法制備化合物涂層，通過(guò)機(jī)械活化增加混合粉末的反應(yīng)活性，降低粉末間化學(xué)反應(yīng)的激活能，再通過(guò)激光沖擊產(chǎn)生的高能沖擊波激發(fā)粉末間化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，促進(jìn)表面化合物涂層的形成，同時(shí)高壓沖擊力細(xì)化與致密化涂層組織，使其與金屬基體界面結(jié)合良好，最終獲得組織細(xì)小、致密，結(jié)合強(qiáng)度高的化合物涂層，提高金屬材料表面性能；具體步驟為: A)將金屬材料表面進(jìn)行打磨和拋光，然后在酒精中進(jìn)行超聲波清洗； B)按化合物涂層成分選取并配比金屬或非金屬粉末的混合粉末； C)將配比的混合粉末通過(guò)球磨進(jìn)行均勻混合與機(jī)械活化； D)將均勻混合與機(jī)械活化后的混合粉末預(yù)置于預(yù)處理的金屬材料表面，并進(jìn)行預(yù)壓實(shí)； E)用吸收層鋁箔包覆預(yù)置壓實(shí)粉末的金屬材料； F)以玻璃或流水為約束層，用激光沖擊處理材料表面預(yù)壓實(shí)粉末，誘導(dǎo)其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，制得表面化合物涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述 步驟A)的金屬材料為金屬鋁、鋁合金、金屬鎂、鎂合金、金屬銅、銅合金、金屬鈦、鈦合金、金屬鎳、鎳合金、鑄鐵或鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟B)的混合粉末為金屬粉末與非金屬硅粉構(gòu)成的混合粉末、金屬鎳粉與金屬鈦粉構(gòu)成的混合粉末、金屬鎳粉與金屬鋁粉構(gòu)成的混合粉末或者金屬鈦粉與金屬鋁粉構(gòu)成的混合粉末。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟B)的金屬粉末為金屬鎳粉、金屬鈦粉、金屬鋁粉、金屬鎂粉、金屬鐵粉、金屬鉻粉、金屬鈷粉、金屬錳粉、金屬鈮粉、金屬鋯粉、金屬鑰粉或金屬釩粉。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟B)的非金屬粉末為非金屬硅粉。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟B)的粉末的平均直徑為20nm-100 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟C)的機(jī)械活化采用氬氣為保護(hù)氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟D)的混合粉末預(yù)壓實(shí)的密度為最大理論密度的40%至90%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟E)的鋁箔的厚度為20 μ m-40 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)制備化合物涂層的方法，其特征在于，所述步驟F)的激光沖擊參數(shù)為:激光功率密度為3GW/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)】C23C24/08GK103726046SQ201310717894
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】崔承云, 崔熙貴, 周建忠, 許曉靜, 張朝陽(yáng) 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)