專利名稱：一種金屬表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面處理的方法，尤其是涉及一種采用表面毛化-粉末噴涂-激光重熔技術(shù)對(duì)金屬表面改性方法。
背景技術(shù)：
電子束毛化是指高能電子束在電子槍中加速至約1/3光速，聚焦、投射在待改性材料表面，與待改性材料碰撞并以熱的形式釋放出能量。在足夠高的溫度下與電子束相遇的那部分材料便熔化并部分蒸發(fā)，形成的蒸汽壓將熔化的材料爆炸性地噴出，形成凹坑。通過調(diào)整加速電場電壓、電子束功率、脈沖頻率及使電子束偏轉(zhuǎn)，即可在待改性材料表面獲得具有一定表面粗糙度值的毛化表面。噴丸毛化是指采用硬質(zhì)顆粒高速撞擊待改性材料，毛化形貌隨機(jī)，表面機(jī)械變形強(qiáng)化，粗糙度精度控制差，伴生波浪度，噪音和粉塵污染嚴(yán)重。電火花毛化是指電極尖端放電在待改性材料表面產(chǎn)生燒蝕作用，毛化效率高，粗糙度與精度較好，毛化形貌效果優(yōu)于噴丸。激光毛化的工作原理是通過激光器生成激光束，當(dāng)激光束作用在待改性材料表面時(shí)，產(chǎn)生局部高溫，改變待改性材料表面的顯微組織，并產(chǎn)生無數(shù)所需形狀和分布的微坑。為解決高溫熔化過度的問題，在激光器探頭旁設(shè)有一個(gè)冷氣嘴，對(duì)局部熔化過的表面進(jìn)行及時(shí)冷卻。采用電信號(hào)波形調(diào)控技術(shù)，對(duì)微坑的形狀可以調(diào)整為圓形、菱形、三角形和矩形，也可以對(duì)粗糙度(Rz值)進(jìn)行調(diào)整。通過采用激光毛化待改性材料，可以使待改性材料表面獲得可控的規(guī)則表面形貌。它克服了傳統(tǒng)噴丸毛化不規(guī)則形貌帶來的待改性材料缺陷和形貌難以控制的問題，提高了待改性材料性能、表面映像清晰度和涂覆性能，同時(shí)也提高待改性材料的使用壽命。激光毛化脈沖快速熔凝，毛化效果好，有改性強(qiáng)化效果，粗糙度精度高。但能量轉(zhuǎn)換效率遜于電火花和電子束。電子束毛化有優(yōu)良的毛化性能，電子束脈沖快速熔凝。毛化效果好，加工效率高，有改性強(qiáng)化效果，粗糙精度高。等離子噴涂是利用等離子熱源將材料加熱至熔化或熱塑性狀態(tài)，形成一簇高速的熔態(tài)粒子流(熔滴流)，依次碰撞基體或已形成的涂層表面，經(jīng)過粒子的橫向流動(dòng)扁平化， 急速凝固冷卻，不斷沉積而形成的。熔滴在形成涂層的過程中，由于很高的扁平化速度和冷卻凝固速度，各熔滴的行為在通常的噴涂條件下是相互獨(dú)立的，后一道噴涂粉末在前一道涂層上熔覆，因此等離子噴涂的涂層具有層狀結(jié)構(gòu)的特征。激光重熔處理技術(shù)是一種將激光技術(shù)和熱處理相結(jié)合的激光表面強(qiáng)化技術(shù)，也是一種有效提高等離子噴涂層性能的方法，可以消除了噴涂層的層狀結(jié)構(gòu)、大部分空隙和氧化物雜志，形成了均勻致密的涂層，保證了涂層的性能，從而提高了工作的使用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種應(yīng)用范圍廣，強(qiáng)度高，涂層組織均勻致密的金屬表面改性方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種金屬表面改性方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)電子束毛化采用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑；(2)粉末噴涂利用惰性氣體吹送，對(duì)形成的凹坑噴涂合金粉末材料，形成涂層；(3)激光重熔采用激光重熔技術(shù)對(duì)涂層表面進(jìn)行重熔處理。所述步驟(1)中電子束毛化過程在真空條件下完成。所述步驟(1)中的毛化凹坑的直徑為0. 2-0. 4mm，深度為0. 1-0. 2mm。所述步驟O)中的粉末噴涂可采用火焰噴涂、電弧噴涂或等離子噴涂。所述步驟O)中的合金粉末材料為Co基合金或Ni基合金。所述步驟O)中的惰性氣體為氦氣或氬氣，該惰性氣體的純度不低于99. 99%。所述步驟(3)中激光重熔技術(shù)為采用(X)2激光器對(duì)涂層表面進(jìn)行重熔處理，利用 CO2激光器形成光斑，采用該光斑對(duì)涂層表面進(jìn)行掃描。所述的(X)2激光器的功率為2. 5kW，光斑直徑為l_12mm，掃描速度為2-15mm/s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)該表面處理技術(shù)是集堆焊、噴涂、粉末冶金、重熔技術(shù)特點(diǎn)的一種創(chuàng)新的表面改性技術(shù)，大大地拓展了高硬度合金、金屬陶瓷等材料方面的應(yīng)用范圍，能有力地帶動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，涂層所選材料原則上不受限制；通過該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)耐高溫、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、抗沖擊、抗疲勞、抗應(yīng)力腐蝕以及其它特殊功能的復(fù)合涂層或梯度涂層；涂層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度接近熔化焊的強(qiáng)度，比常規(guī)的熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度可提高1. 5 10倍， 涂層組織均勻致密，從而可大大地拓寬應(yīng)用范圍。由于這種技術(shù)具有如上特點(diǎn)，所以應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍極廣，不僅能用于機(jī)械設(shè)備的表面改性和廢舊產(chǎn)品的修復(fù)，而且還可以應(yīng)用于某些新產(chǎn)品的制造。如航空航天，軍艦，坦克，炮彈以及常規(guī)武器；機(jī)械設(shè)備、石油化工、水利電力、礦產(chǎn)冶金、農(nóng)林牧業(yè)、鐵路交通、民用、食品機(jī)械、電子通訊、醫(yī)療機(jī)械、環(huán)保工程等領(lǐng)域的設(shè)備制造或維修，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)省資源和能源的目的。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明將通過以下具體實(shí)施例來說明本發(fā)明的實(shí)施過程。實(shí)施例1—種金屬表面改性方法，采用表面毛化-粉末噴涂-激光重熔技術(shù)對(duì)金屬表面改性，包括以下步驟在真空中用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑，電子束毛化凹坑的直徑為0. 4mm，深度為0. 2mm,同時(shí)利用等離子體噴涂技術(shù)將Co基合金粉末噴涂到被處理金屬表面的凹坑中，噴涂吹送用的惰性氣體為氬氣，其純度為99. 99%, Co基合金粉末為^ellite 6，其化學(xué)成分如表1所示，然后利用等離子弧的吹力將熔化的基體金屬與納米Co基合金粉末混合均勻，形成致密而結(jié)合強(qiáng)度極高的熔-噴涂層，最后利用(X)2激光器對(duì)熔-噴涂層進(jìn)行單激光掃描，其中功率為2. Okff,掃描速度為2. Omm/s,光斑直徑為1.2mm，即得到處理好的金屬。實(shí)施例2一種金屬表面改性方法，采用表面毛化-粉末噴涂-激光重熔技術(shù)對(duì)金屬表面改性，包括以下步驟在真空中用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑，電子束毛化凹坑的直徑為0. 2mm,深度為0. 2mm,同時(shí)利用火焰噴涂技術(shù)將Co基合金粉末噴涂到被處理金屬表面的凹坑中，Co基合金粉末為HMSP2528，其化學(xué)成分如表1所示，噴涂吹送用的惰性氣體為氦氣，其純度為99. 99%，然后利用火焰的吹力將熔化的基體金屬與納米Co基合金粉末混合均勻，形成致密而結(jié)合強(qiáng)度極高的熔-噴涂層，最后利用CO2激光器對(duì)熔-噴涂層進(jìn)行單激光掃描，其中功率為5. OkW，掃描速度為2. Omm/s，光斑與直徑比為4. Omm,即得到處理好的金屬。實(shí)施例3一種金屬表面改性方法，采用表面毛化-粉末噴涂-激光重熔技術(shù)對(duì)金屬表面改性，包括以下步驟在真空中用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑，電子束毛化凹坑的直徑為0. 3mm，深度為0. Imm,同時(shí)利用等離子體噴涂技術(shù)將納米Co基合金粉末噴涂到被處理金屬表面的凹坑中，Co基合金粉末為HMSP2528，其化學(xué)成分如表1所示，噴涂吹送用的惰性氣體為氦氣，其純度為99. 99%，然后利用等離子弧的吹力將熔化的基體金屬與Co基合金粉末混合均勻，形成致密而結(jié)合強(qiáng)度極高的熔-噴涂層，最后利用(X)2激光器對(duì)熔-噴涂層進(jìn)行單激光掃描，其中功率為4. Okff,掃描速度為15. Omm/s，光斑與直徑比為 4. Omm，即得到處理好的金屬。實(shí)施例4一種金屬表面改性方法，采用表面毛化-粉末噴涂-激光重熔技術(shù)對(duì)金屬表面改性，包括以下步驟在真空中用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑，電子束毛化凹坑的直徑為0. Imm,深度為0. 2mm,同時(shí)利用電弧噴涂技術(shù)將Co基合金粉末噴涂到被處理金屬表面的凹坑中，Co基合金粉末為HMSP2537，其化學(xué)成分如表1所示，噴涂吹送用的惰性氣體為氬氣，其純度為99. 99%，然后利用電弧的吹力將熔化的基體金屬與Co基合金粉末混合均勻，形成致密而結(jié)合強(qiáng)度極高的熔-噴涂層，最后利用(X)2激光器對(duì)熔-噴涂層進(jìn)行單激光掃描，其中功率為6. OkW，掃描速度為12. Omm/s，光斑直徑為1. 5mm,即得到處理好的金屬。表1 Co基合金粉末材料的化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種金屬表面改性方法，其特征在于，該方法包括以下步驟(1)電子束毛化采用電子束對(duì)被處理的金屬表面進(jìn)行毛化，形成微小的毛化凹坑；(2)粉末噴涂利用惰性氣體吹送，對(duì)形成的凹坑噴涂合金粉末材料，形成涂層；(3)激光重熔采用激光重熔技術(shù)對(duì)涂層表面進(jìn)行重熔處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟(1)中電子束毛化過程在真空條件下完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟(1)中的毛化凹坑的直徑為0. 2-0. 4mm，深度為0. 1-0. 2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟( 中的粉末噴涂可采用火焰噴涂、電弧噴涂或等離子噴涂。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟( 中的合金粉末材料為Co基合金或Ni基合金。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟( 中的惰性氣體為氦氣或氬氣，該惰性氣體的純度不低于99. 99%。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述步驟(3)中激光重熔技術(shù)為采用CO2激光器對(duì)涂層表面進(jìn)行重熔處理，利用(X)2激光器形成光斑，采用該光斑對(duì)涂層表面進(jìn)行掃描。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種金屬表面改性方法，其特征在于，所述的(X)2激光器的功率為2. 5kw，光斑直徑為l_6mm，掃描速度為2-15mm/s。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬表面改性方法，本發(fā)明首先用電子束毛化方法于材料表面獲得一定表面粗糙度值的毛化表面，形成均勻的微小凹坑，增加界面的結(jié)合強(qiáng)度；然后采用等離子噴涂工藝，以Co基合金或Ni基合金粉末為材料，形成涂層；最后采用激光重熔技術(shù)對(duì)涂層表面作重熔處理，改善涂層表面組織，提高表面性能。與現(xiàn)有技術(shù)相比，該工藝能實(shí)現(xiàn)耐高溫、耐腐蝕、抗氧化、抗疲勞的性能，且結(jié)合強(qiáng)度高，涂層組織均勻致密，從而可大大地拓寬應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)C23C4/08GK102268626SQ20101018938
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者孫明杰, 楊尚磊, 林慶琳, 蓋永剛 申請(qǐng)人:上海工程技術(shù)大學(xué)