專利名稱：激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬表面處理，特別是一種激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法。
背景技術(shù)：
激光熔覆技術(shù)是利用高能密度的激光束在基材表面形成與基材冶金結(jié)合的、且具有成分與性能不同的合金覆層，從而可在一般金屬基材上制成高性能表面。在汽車、航空、航天、電站、造船、機(jī)電一體化加工中心、國防軍工等制造業(yè)有重要的應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展前景。但由于激光熔覆是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)及冶金過程，在激光快速加熱和冷卻以及熔化凝固過程中極易產(chǎn)生拉應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致熔覆層中薄弱環(huán)節(jié)開裂。開裂問題已成為影響激光熔覆技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的最大障礙。對此各國專家學(xué)者已從激光熔覆工藝、熔覆材料成分設(shè)計(jì)，甚至預(yù)熱、后熱等做了大量的試驗(yàn)研究，取得了許多可喜的成果，但尚未取得突破性進(jìn)展。其中比較典型的是激光熔覆陶瓷涂層。陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，地球上資源十分豐富，但其脆性較大，耐疲勞性差，對應(yīng)力和裂紋敏感，使其應(yīng)用受到很大限制。金屬表面陶瓷涂層技術(shù)拓寬了陶瓷材料的應(yīng)用范圍，將陶瓷材料的優(yōu)異性能和金屬材料的強(qiáng)韌性及良好的工藝性有機(jī)結(jié)合起來無疑是極具竟?fàn)幜Φ男录夹g(shù)。其中激光熔覆陶瓷涂層是目前比較先進(jìn)的技術(shù)，例如等離子噴涂—激光重熔陶瓷涂層能夠消除等噴層的層狀結(jié)構(gòu)、大部分孔隙和氧化物夾雜，形成比較均勻致密的陶瓷涂層，提高了涂層的性能，但仍然難以避免裂紋和涂層的剝落，其原因(1)陶瓷材料的耐熱沖擊性差，斷裂韌性值低，在激光重熔過程中的急劇加熱、冷卻條件下易產(chǎn)生裂紋；(2)陶瓷材料熔點(diǎn)大大高于金屬基體，且它們之間熱膨脹系數(shù)、彈性模量和導(dǎo)熱系數(shù)等物理參數(shù)相差很大，由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易導(dǎo)致涂層產(chǎn)生裂紋或剝落；(3)陶瓷涂層與金屬基體之間難以冶金結(jié)合，熱導(dǎo)率低的陶瓷因局部加熱而容易剝落；(4)金屬基體的熔體與陶瓷材料熔體之間相容性較差，也易產(chǎn)生裂紋和孔洞；(5)熔融陶瓷粘度高、膨脹的氣體不易溢出。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，解決金屬基體表面熔覆陶瓷涂層產(chǎn)生裂紋的問題，提供一種激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法。
本發(fā)明的物理基礎(chǔ)是研究發(fā)現(xiàn)納米微粒的熔點(diǎn)、開始燒結(jié)溫度和晶化溫度比常規(guī)粉體低很多。由于顆粒小，納米微粒表面能高，比表面原子數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大，而且納米微粒體積遠(yuǎn)小于普通粒徑材料，因此納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多，這就使納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。此外由于納米結(jié)構(gòu)材料中有大量界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，因此納米材料的固溶擴(kuò)散能力提高，無論液相還是固相，即使不相混溶，當(dāng)處于納米晶時(shí)，也會(huì)固溶，產(chǎn)生合金。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力產(chǎn)生的第一個(gè)結(jié)果將使納米材料的熔凝溫度大大降低，此時(shí)納米粒子高的界面能成為原子運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，有利于界面中的孔洞收縮達(dá)到致密化。本發(fā)明就是利用上述納米材料的特征效應(yīng)，將激光熔覆陶瓷涂層的普通粒度陶瓷材料換成納米陶瓷材料，以突破激光熔覆陶瓷涂層開裂的瓶頸，在金屬基體上制備無裂紋無孔洞的陶瓷涂層。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種在金屬基體材料表面進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特點(diǎn)在于該方法包括下列步驟①.對金屬基體材料待處理表面進(jìn)行打底；②.再噴涂納米造粒陶瓷材料；③.涂納米吸收激光涂料；④.利用高功率CO2激光在Ar氣保護(hù)下掃描熔覆。
這里需要說明的是納米吸收激光涂料，其構(gòu)成請?jiān)斠姲l(fā)明專利申請，申請?zhí)枮?2136862.7，以下相同不再贅述。
所述的金屬基體材料為不銹鋼基體材料，對其進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法的具體步驟如下①.所述的打底，是在不銹鋼基體待處理表面噴焊鎳基自熔合金；②.噴涂造粒的納米碳化物陶瓷粉體(NF)WC/Co；③.涂覆納米吸收激光涂料；④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，掃描速度為8～12mm/s的CO2激光，在氬氣保護(hù)下，對表面進(jìn)行激光熔覆WC/Co陶瓷涂層。
所述的金屬基體材料為碳鋼，對其進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法的具體步驟如下①.所述的打底，是在碳鋼基體待處理表面噴焊鎳基自熔合金；②.噴涂造粒的納米碳化物陶瓷粉體(NF)WC/Co；③.涂覆納米吸收激光涂料；④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，掃描速度為8～12mm/s的CO2激光，在氬氣保護(hù)下，對表面進(jìn)行激光熔覆WC/Co陶瓷涂層。
所述的金屬基體材料為鋁合金，對其進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法的具體步驟如下①.所述的打底是在鋁合金基體待處理表面先噴涂鎳包鋁；②.噴涂造粒的納米氧化物陶瓷粉體(NF)Al2O3/TiO2；③.涂覆納米吸收激光涂料；④.采用功率密度5.03×103～6.3×103W/cm2，掃描速度為30～40mm/s的CO2激光，在Ar保護(hù)下，對表面進(jìn)行激光熔覆納米氧化物Al2O3/TiO2陶瓷涂層。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，突破了激光熔覆陶瓷涂層開裂的瓶頸，因?yàn)榧{米顆粒具有優(yōu)異的力學(xué)性能，將導(dǎo)致彌散強(qiáng)化機(jī)制，使所產(chǎn)生的陶瓷涂層具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，在金屬基體表面制成了無裂紋的陶瓷涂層。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
實(shí)施例1.在不銹鋼基體表面激光熔覆無裂紋碳化物陶瓷涂層，其具體步驟是①.在1Cr18Ni9不銹鋼基體的待處理表面上先噴焊鎳基自熔合金；②.再噴涂納米造粒材料(NF)WC/Co；③.接著涂覆納米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度為9.436×103W/cm2，掃描速度為8～10mm/s的CO2激光進(jìn)行熔覆，激光熔覆時(shí)采用Ar氣保護(hù)，無須預(yù)熱和后熱，即能制得無裂紋的碳化鎢陶瓷(WC/Co)涂層。
實(shí)施例2.在不銹鋼基體表面激光熔覆無裂紋碳化物陶瓷涂層，其具體步驟如下①.在1Cr18Ni9不銹鋼基體的待處理表面上先噴焊鎳基自熔合金；②.再噴涂納米造粒材料(NF)WC/Co；③.接著涂覆納米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度為1.07×104W/cm2，掃描速度為10～12mm/s的CO2激光進(jìn)行熔覆，激光熔覆時(shí)采用Ar氣保護(hù)，無須預(yù)熱和后熱，即能制得無裂紋的碳化物陶瓷(WC/Co)涂層。
實(shí)施例3.在碳鋼表面激光熔覆無裂縫碳化物陶瓷涂層，其具體步驟如下①.在45#碳鋼基體的待處理表面上先噴焊鎳自熔合金；②.再噴涂納米造粒材料(NF)WC/Co；③.接著涂覆納米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度為1.07×104W/cm2，掃描速度為10～12mm/s的CO2激光進(jìn)行熔覆，激光熔覆時(shí)采用Ar氣保護(hù)，無須預(yù)熱和后熱，即能在碳鋼表面制得無裂紋的碳化物陶瓷(WC/Co)涂層。
實(shí)施例4.在鋁合金基體表面激光熔覆無裂紋氧化物陶瓷涂層，其具體步驟如下①.在ZL104鋁合金基體上先噴涂鎳包鋁(Ni包Al)材料；②.再噴涂納米造粒材料(NF)Al2O3/TiO2；③.接著涂上納米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度為6.3×103W/cm2，掃描速度為35～40mm/s的CO2激光熔覆，激光熔覆時(shí)采用Ar氣保護(hù)，無須預(yù)熱和后熱，即能在鋁合金基體上制得無裂紋的氧化物陶瓷(Al2O3/TiO2)涂層。
實(shí)施例5.在鋁合金基體表面激光熔覆無裂紋氧化物陶瓷涂層，其具體步驟如下①.在ZL104鋁合金基體上待處理表面先噴涂鎳包鋁(Ni包Al)材料；②.噴涂納米造粒材料(NF)Al2O3/TiO2；③.接著涂上納米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度為5.03×103W/cm2，掃描速度為30～35mm/s的CO2激光熔覆，激光熔覆時(shí)采用Ar氣保護(hù)，無須預(yù)熱和后熱，即能在鋁合金基體上制得無裂紋的氧化物陶瓷(Al2O3/TiO2)涂層。
權(quán)利要求
1.一種在金屬基體材料表面進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特征在于該方法包括下列步驟①.對金屬基體材料待處理表面進(jìn)行打底；②.再噴涂納米造粒陶瓷材料；③.涂納米吸收激光涂料；④.利用高功率CO2激光在Ar氣保護(hù)下掃描熔覆。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特征在于所述待處理的金屬基體材料是不銹鋼，進(jìn)行抗裂處理的具體步驟如下①.所述的打底，是在不銹鋼基體待處理表面噴焊鎳基自熔合金；②.噴涂造粒的納米碳化物陶瓷粉體(NF)WC/Co；③.涂覆納米吸收激光涂料；④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，掃描速度為8～12mm/s的CO2激光，在氬氣保護(hù)下，對表面進(jìn)行激光熔覆WC/Co陶瓷涂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特征在于所述的待處理的金屬是碳鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特征在于所述的待處理的金屬基體材料是鋁合金，進(jìn)行抗裂處理的具體步驟如下①.所述的打底，是在鋁合金基體待處理表面先噴涂鎳包鋁；②.噴涂造粒的納米氧化物陶瓷粉體(NF)Al2O3/TiO2；③.涂覆納米吸收激光涂料；④.采用功率密度5.03×103～6.3×103W/cm2，掃描速度為30～40mm/s的CO2激光，在Ar保護(hù)下，對表面進(jìn)行激光熔覆Al2O3/TiO2陶瓷涂層。
全文摘要
一種在金屬基體材料表面進(jìn)行激光熔覆納米陶瓷涂層抗裂的處理方法，其特點(diǎn)是該方法包括下列步驟對金屬基體材料待處理表面進(jìn)行打底；再噴涂納米造粒陶瓷材料；涂納米吸收激光涂料；利用高功率CO
文檔編號(hào)C23C24/00GK1542166SQ200310108499
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者張光鈞, 王慧萍, 戴建強(qiáng), 奚文龍, 戈大鈁 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)