本發(fā)明屬于金屬復合涂層領(lǐng)域，尤其涉及一種激光熔覆纖維增強金屬基復合涂層的方法。
技術(shù)背景
纖維增強復合涂層具備高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、耐輻照等性能，在高溫結(jié)構(gòu)和耐磨耐腐蝕等領(lǐng)域具備廣泛的應用前景。然而以樹脂為基的纖維復合涂層使用溫度有很大的局限，環(huán)氧樹脂一般不超過200℃，聚酰亞胺不超過350℃，即使在較低溫度下，樹脂基的彈性模量和強度也不高，在大的負荷應力下容易開裂。為得到更高溫度下使用的高比強度和高比剛度材料，自上世紀60年代中期開始發(fā)展纖維增強金屬基復合涂層。
金屬基復合涂層因具備耐高溫、高導熱能力、低的熱膨脹系數(shù)和特定的高剛度和強度，在航空航天領(lǐng)域最先開始研發(fā)和應用。它是由金屬基體和增強相通過一定的工藝復合而成的新型結(jié)構(gòu)材料，按增強相的形態(tài)可分為纖維增強金屬基復合涂層、晶須及短纖維增強金屬基復合涂層、顆粒增強金屬基復合涂層等幾種形式。金屬基復合涂層具有較高的比強度、比剛度以及良好的抗蠕變、耐高溫性能，尤其是纖維增強金屬基復合涂層在其纖維方向上具有很高的強度和模量，在構(gòu)件的受力狀況基本確定時更能發(fā)揮其定向優(yōu)勢。
金屬基纖維復合材料制備方法主要有粉末冶金法、真空壓力浸滲法、擠壓鑄造法、攪拌鑄造法等。粉末冶金法是預先將短纖維與金屬粉末制成漿狀并混合，經(jīng)成型干燥熱壓燒結(jié)成型，該法較為復雜，不適宜制備大尺寸零件，成本很高，約為金屬基體的4～10倍；真空壓力浸滲法最早由美國鋁業(yè)公司(Alcoa)開發(fā)，將增強相制成預制體，放入承壓鑄型內(nèi)，加熱、抽真空，通過真空產(chǎn)生的負壓，使液態(tài)基體金屬熔體浸滲到預制體中并凝固成形，該法設(shè)備復雜，工藝周期長，成本較高，適用于制備要求較高的小型零件；擠壓鑄造是將增強材料制成預制件，放入壓型，用壓機將液態(tài)金屬壓入凝固后得到成型件，其擠壓鑄造力大，一般在70-100MPa，所制成預制件必須有很高強度，同時需保證預制件的空隙度；攪拌鑄造法是將金屬熔化，在液態(tài)或半固態(tài)攪拌，同時加入增強材料(短纖維、晶須 或粒子等)，制備出復合涂層漿料，然后進行鑄造、液態(tài)模鍛、軋制或擠壓成形，是目前工業(yè)生產(chǎn)主要方法。
激光熔覆是一種先進的激光表面改性技術(shù)，是在工件(或基體材料)表面加入溶覆材料(送粉、送絲、預置等)，通過高能密度激光加熱，使熔覆材料和基體表面薄層金屬迅速達到溶融狀態(tài)，此時靠工件本身的導熱，快速凝固結(jié)晶為溶覆層，以獲得與基體材料之間冶金結(jié)合且稀釋率低并具有各種特性的改性層或修復層。與堆焊、熱噴涂、電鍍等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)相比，它具有諸多優(yōu)點，，如適用的材料體系廣泛、熔覆層稀釋率可控、熔覆層與基體為冶金結(jié)合、基體熱變形小、工藝易于實現(xiàn)自動化等。因此，20世紀80年代以來，激光熔覆技術(shù)得到了國內(nèi)外的廣泛重視，并已在諸多工業(yè)領(lǐng)域獲得應用。目前，關(guān)于彩激光熔覆技術(shù)制備纖維增強金屬基復合涂層研究還未見文獻報道。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為使纖維在激光熔覆過程中保持自身良好的性能，在制備纖維增強金屬基復合涂層之前需要對纖維增強相進行表面處理，包括粗化、敏化、活化、化學鍍等步驟，在纖維的表面鍍上一層與金屬合金相近的金屬相，使其具有良好的浸潤性。同時，通過專用的纖維編織模板，將纖維編織成預先設(shè)計的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(平行或交叉)，使編制好的纖維網(wǎng)嵌入基材表面預先加工好的V型槽或是U型槽中，同時鋪上合金粉末，構(gòu)成預置涂層，厚度為1.5mm，粉末粒徑為20～40μm，既保證纖維在金屬基復合涂層中均勻分布，又可以根據(jù)實際需要調(diào)整纖維之間的距離；同時為保證纖維在激光熔覆制備過程中其優(yōu)異的性能不變，預先在纖維表面鍍上一層厚度為50～100μm的Ni層，形成芯-殼結(jié)構(gòu)，既減少激光直接照射在纖維的能量，保證纖維自身性能，又可以增加纖維與熔覆粉末的潤濕性，與涂層形成良好的冶金結(jié)合。
本發(fā)明提出一種激光熔覆纖維增強金屬基復合涂層的方法，其特征在于，包括以下幾個步驟：
步驟一：對纖維進行粗化、敏化、活化與化學鍍處理，在直徑為0.2～10μm的纖維表面形成厚度約為50～100μm的鎳層，形成芯-殼結(jié)構(gòu)，其中，纖維為碳纖維、石英纖維或玻璃纖維；
步驟二：通過自制的編制模板，使經(jīng)過步驟一處理后的纖維強化相均勻分布在金屬合金粉末中，具體的思路是：通過專用的纖維編織模板，將纖維編織成預先設(shè)計的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(平行或交叉)，使編制好的纖維網(wǎng)嵌入基材表面預先加工好 的凹槽中(V型槽或U型槽)，同時鋪上合金粉末，厚度為1.5mm，粉末粒徑為20～40μm，既保證纖維在金屬基復合涂層中均勻分布，又可以根據(jù)實際需要調(diào)整纖維之間的距離；其中編織模板是表面均勻分布有群孔的304不銹鋼板，尺寸為10×10×1cm3，針對鍍Ni層纖維直徑為50.2～110μm，將編織模板分為三組：第一組模板①群孔孔徑為65.1μm，孔間距為80～300μm；第二組模板②群孔孔徑為80.1μm，孔間距為100～300μm；第三組模板③群孔孔徑為110.1μm，孔間距為150～300μm；每組模板由兩個相同編織模板構(gòu)成；當鍍Ni層纖維直徑為50.1～65μm時，選用模板①；當纖維直徑為65.001～80μm時，選用模板②；當纖維直徑為80.001～110μm時，選用模板③；合金粉末為Ni基合金、Fe基合金或Al基合金，Ni基合金粉末的化學成分為：C0.2wt％，Si2.2wt％，B1.0wt％，Li3.Owt％，F(xiàn)e8.0wt％，Cr2.8wt％，余量為Ni；Fe基合金粉末的化學成分為：C0.02wt％，Si0.7wt％，Ni9.2wt％，Y2.2wt％，Mo2.1wt％，Cr17wt％，Mn0.2wt％，余量為Fe；Al基合金粉末的化學成分為：Zn6.2wt％，Mg2.25wt％，Cu2.3wt％，Zr0.1wt％，Si0.12wt％，F(xiàn)e0.15wt％，Al2O36.2wt％，余量為Al。
步驟三：使用高功率半導體激光器，在真空室內(nèi)進行制備，激光輸出功率為3～8kW，所選用的光斑寬為200×8mm，掃描速度分別為8mm/s～50mm/s，保護氣體為氬氣。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點：
1、通過纖維強化相的表面處理，可以使纖維在激光熔覆過程中最大程度的保持自身良好的性能，
2、通過自制編織模板，可以使纖維強化相均勻的分布在熔覆層內(nèi)，同時可以根據(jù)需要纖維的稠密程度，選擇相鄰或不相鄰孔洞進行編制，實現(xiàn)纖維間距離可控，有助于提高復合涂層抗拉性能及耐磨性；
3、運用高功率半導體激光熔覆技術(shù)，獲得組織晶粒細小、與基體冶金結(jié)合高性能涂層；
4、采用本方法制備的纖維增強相金屬基復合涂層性能優(yōu)異，硬度可達1000～1250HV0.2，耐磨性相較于GCr15提高3～8倍，抗拉強度可達900～1150Mpa，塑延伸長20～25％。
說明書附圖說明
圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實方案
結(jié)合說明書附圖，對本發(fā)明作進一步說明。
如圖1所示，本發(fā)明涉及一種激光熔覆纖維增強金屬基復合涂層的方法，具體包括：半導體激光器1、纖維編織模板2、表面有V槽的基材3及經(jīng)過表面強化處理的纖維4。半導體激光器1發(fā)出的激光束5作用在基材3表面的預置涂層，得到纖維均勻分布的金屬基復合涂層，所述實驗在真空室6內(nèi)進行。
實施例1
1、對直徑為1μm的碳纖維外表面進行化學鍍鎳處理，在其表面形成厚度為60μm的鍍Ni層，流程圖為：水洗→鉻酸粗化→水洗→敏化→活化→水洗→化學鍍鎳→烘干，化學鍍各階段溶液配比如下：
(1)粗化：鉻酸150g/L，濃硫酸100ml/L，溫度40℃，時間30min；
(2)敏化：膠體鈀6ml/L，鹽酸200ml，溫度30℃，時間60s
(3)活化：氫氧化鈉9g/L，溫度30℃，時間15s；
(4)化學鍍Ni：六水合硫酸鎳25g/L，次亞磷酸鈉25g/L，二水合檸檬酸三鈉25g/L，氯化銨35g/L，加入5g/L氨水，溫度控制在38℃以下，pH＝8，時間30min。
2、選擇編織模板①對表面鍍Ni層碳纖維進行編織，編織成平行分布的V型結(jié)構(gòu)，其尺寸為1.45(深)mm×2.5(寬)mm，其中，編織模板①尺寸為10×10×1cm3，內(nèi)徑為65.1μm，孔間距為90μm，鍍Ni層碳纖維直徑為61μm。將編制好模板2對稱放置在基材3兩側(cè)，使表面鍍Ni碳纖維4剛好嵌入基材3表面的V槽中，同時鋪上Al合金粉末，完成激光熔覆前準備工作。
3、激光熔覆
(1)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，在其表面加工出1.45(深)mm×2.5(寬)mm的V型槽，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
(2)合金粉末選用Al基合金并使用烘干機烘干，烘干溫度200℃，時間1.5小時；
(3)采用預置粉末方式，采用自制編織模板將碳纖維強化相均勻分布在V槽內(nèi)部，再將烘干后的Al基合金粉末鋪入V槽，預置粉末層厚度為1.5mm，粉末粒徑為20～40μm。
(4)使用高功率半導體激光器熔覆，激光輸出功率為3000W，掃描速度分別為50mm/s，保護氣體為氬氣。
實施例2
1、對直徑為5μm的玻璃纖維外表面進行化學鍍鎳處理，在其表面形成厚度為70μm的鍍Ni層，流程圖為：水洗→鉻酸粗化→水洗→敏化→活化→水洗→化學鍍鎳→烘干，化學鍍各階段溶液配比如下：
(1)粗化：鉻酸250g/L，濃硫酸200ml/L，溫度50℃，時間60min；
(2)敏化：膠體鈀8ml/L，鹽酸250ml，溫度30℃，時間60s
(3)活化：氫氧化鈉10g/L，溫度30℃，時間25s；
(4)化學鍍Ni：六水合硫酸鎳30g/L，次亞磷酸鈉25g/L，二水合檸檬酸三鈉25g/L，氯化銨35g/L，加入5g/L氨水，溫度控制在38℃以下，pH＝9，時間50min。
2、選擇編織模板②對表面鍍Ni層玻璃纖維進行編織，編織成平行分布的U型結(jié)構(gòu)，其尺寸為1.45(深)mm×3.5(寬)mm，其中，編織模板②尺寸為10×10×1cm3，內(nèi)徑為80.1μm，孔間距為150μm，鍍Ni層玻璃纖維直徑為75μm。將編制好模板2對稱放置在基材3兩側(cè)，使表面鍍Ni玻璃纖維4剛好嵌入基材3表面的U槽中，同時鋪上Fe合金粉末，完成激光熔覆前準備工作。
3、激光熔覆
(1)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，在其表面加工出1.45(深)mm×3.5(寬)mm的U型槽，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
(2)合金粉末選用Fe基合金并使用烘干機烘干，烘干溫度200℃，時間1.5小時；
(3)采用預置粉末方式，采用自制編織模板將玻璃纖維強化相均勻分布在U槽內(nèi)部，再將烘干后的Fe基合金粉末鋪入U槽，預置粉末層厚度為1.5mm，粉末粒徑為20～40μm。
(4)使用高功率半導體激光器熔覆，激光輸出功率為5000W，掃描速度分別為30mm/s，保護氣體為氬氣。
實施例3
1、對直徑為10μm的石英纖維外表面進行化學鍍鎳處理，在其表面形成厚度為100μm的鍍Ni層，流程圖為：水洗→鉻酸粗化→水洗→敏化→活化→水洗→化學鍍鎳→烘干，化學鍍各階段溶液配比如下：
(1)粗化：鉻酸300g/L，濃硫酸300ml/L，溫度60℃，時間120min；
(2)敏化：膠體鈀10ml/L，鹽酸300ml，溫度30℃，時間60s
(3)活化：氫氧化鈉11g/L，溫度30℃，時間30s；
(4)化學鍍Ni：六水合硫酸鎳35g/L，次亞磷酸鈉25g/L，二水合檸檬酸三鈉25g/L，氯化銨35g/L，加入5g/L氨水，溫度控制在38℃以下，pH＝9，時間60min。
2、選擇編織模板③對表面鍍Ni層石英纖維進行編織，編織成平行分布的V型結(jié)構(gòu)，其尺寸為1.45(深)mm×2.8(寬)mm，其中，編織模板③尺寸為10×10×1cm3，內(nèi)徑為110.1μm，孔間距為300μm，鍍Ni層石英纖維直徑為110μm。將編制好模板2對稱放置在基材3兩側(cè)，使表面鍍Ni石英纖維4剛好嵌入基材3表面的V槽中，同時鋪上Ni合金粉末，完成激光熔覆前準備工作。
3、激光熔覆
(1)選取45#鋼作為熔覆的基體，用600目砂紙打磨光潔，在其表面加工出1.45(深)mm×2.8(寬)mm的V型槽，再用丙酮溶液清除干凈基體表面油污和銹跡；
(2)合金粉末選用Ni基合金并使用烘干機烘干，烘干溫度200℃，時間1.5小時；
(3)采用預置粉末方式，采用自制編織模板將石英纖維強化相均勻分布在V槽內(nèi)部，再將烘干后的Ni基合金粉末鋪入V槽，預置粉末層厚度為1.5mm，粉末粒徑為20～40μm。
(4)使用高功率半導體激光器熔覆，激光輸出功率為8000W，掃描速度分別為20mm/s，保護氣體為氬氣。
通過本方法制備的纖維增強金屬基復合涂層，即可以保證纖維高比強度、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕等特性，又可以保證在高溫度下使用具有高比強度和高比剛度，同時可以獲得稀釋率小、與基體為冶金結(jié)合、均勻致密的復合涂層，其硬度可達1000～1250HV0.2，耐磨性相較于GCr15提高3～8倍，抗拉強度可達900～1150Mpa，塑延伸長20～25％。