一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合性能的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合力的方法，采用高功率、短脈沖激光誘導產(chǎn)生高壓等離子體沖擊波，作用在材料表面，利用沖擊波的力學效應對材料進行處理，在材料表層產(chǎn)生高密度位錯、晶粒細化，甚至產(chǎn)生納米晶，從而降低擴散激活能，增加擴散通道，提高擴散效率，形成穩(wěn)定的結(jié)合層。在高壓沖擊波的作用下，材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，使得材料表面位錯增多、晶粒細化甚至產(chǎn)生納米晶。位錯密度和晶界的增加，為后續(xù)鍍膜過程中的膜層原子擴散提供了通道，原子的擴散激活能降低，有利于元素的擴散。
【專利說明】一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合性能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及鍍膜技術(shù)和激光加工領(lǐng)域，具體涉及一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合性能的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導產(chǎn)生等離子體沖擊波對金屬材料作用，降低金屬材料表面擴散激活能，增加擴散通道，提高膜層材料擴散效率，使膜基之間形成較強的結(jié)合。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬工件表面制備一層具有特殊性能的膜層，是目前采用最多、最經(jīng)濟和最有效的提高工件性能的方法。通過在工件基體表面制備一層具有優(yōu)越性能的強化層，可以使工件具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化等多種工件制造材料本身不具備的性能。目前，制備膜層的手段有涂刷、磁控濺射、真空蒸鍍、離子鍍等，由于工件材料與膜層材料性能差異較大，常存在膜層與基體結(jié)合差、易脫落的問題。一般采用在膜層和基體之間加過渡層的方法提高結(jié)合性能，但是其存在工藝控制難度大、成本高等問題。本發(fā)明采用激光等離子體沖擊波對金屬材料作用，提高膜層材料擴散效率，使膜基之間形成較強的結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]要解決的技術(shù)問題
[0004]本發(fā)明提供一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合力的方法，降低金屬材料表面擴散激活能，增加擴散通道，提高膜層材料擴散效率，從而顯著提高膜層與基體之間的結(jié)合力。
[0005]技術(shù)方案
[0006]一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合性能的方法，其特征在于步驟如下:
[0007]步驟1:將涂有吸收保護層的工件裝夾到運動系統(tǒng)上，采用水為約束層；
[0008]步驟2:觸發(fā)激光，將激光作用在吸收保護層上，吸收保護層吸收激光能量，并誘導產(chǎn)生等離子體沖擊波；所述激光的功率密度為I~6GW/cm2、激光的脈沖為ns量級；
[0009]步驟3:按照待處理區(qū)域移動工件，以激光誘導等離子沖擊波作用工件待處理區(qū)域表層材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，產(chǎn)生高密度位錯，并使晶粒細化；激光光斑間的面積搭接率為50%以上；
[0010]步驟4:采用磁控濺射、真空蒸鍍或離子鍍工藝對步驟3完成的激光沖擊進行膜層制備。
[0011]有益效果
[0012]1、本發(fā)明方法采用高功率、短脈沖激光誘導產(chǎn)生高壓等離子體沖擊波，作用在材料表面，利用沖擊波的力學效應對材料進行處理，在材料表層產(chǎn)生高密度位錯、晶粒細化，甚至產(chǎn)生納米晶，從而降低擴散激活能，增加擴散通道，提高擴散效率，形成穩(wěn)定的結(jié)合層。
[0013]2、在高壓沖擊波的作用下，材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，使得材料表面位錯增多、晶粒細化甚至產(chǎn)生納米晶。位錯密度和晶界的增加，為后續(xù)鍍膜過程中的膜層原子擴散提供了通道，原子的擴散激活能降低，有利于元素的擴散?！揪唧w實施方式】
[0014]下面以具體實施例對本發(fā)明作詳細說明:
[0015]本發(fā)明所述實施例中，對TC4鈦合金進行激光沖擊后磁控濺射TiAlN膜層，具體工藝步驟為:
[0016](a)設置激光波長1064nm，脈寬20ns，功率密度為1.4Gff/cm2 (激光能量2J，光斑形狀圓形，光斑直徑3mm)，光斑搭接率60%，將貼有黑膠帶的TC4試件裝夾到運動系統(tǒng)上。
[0017](b)觸發(fā)激光，激光作用在黑膠帶上，黑膠帶吸收激光能量，并誘導產(chǎn)生等離子體沖擊波；
[0018](c)按照TC4試件形狀移動工件，激光誘導等離子沖擊波作用下，TC4試件表層材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，產(chǎn)生高密度位錯，并使晶粒細化。
[0019](d)將激光沖擊后的TC4試件進行氮氣清洗，調(diào)整基體偏壓-400V、鈦靶電流80A、鋁靶電流60A，采用磁控濺射的方法在TC4試件表面鍍5 μ m厚的TiAlN抗沖刷層。
[0020]通過以上實例，可以看到本發(fā)明的效果是:TC4合金試樣先進行激光沖擊強化處理，再使用磁控濺射技術(shù)在沖擊表面鍍上一層厚約5 μ m的TiAlN層，在TC4合金的表層形成了一層組織致密、顆粒細小的TiAlN膜，表面粗糙度大大減小，在30°沖刷情況下，相同實驗條件，無激光沖擊強化的TC4鍍膜試件損耗量為36.8mg,激光強化后鍍膜的TC4試件損耗量為9.2mg，膜層抗沖刷性能得到大 幅提升。
【權(quán)利要求】
1.一種提高金屬表面鍍膜層結(jié)合性能的方法，其特征在于步驟如下: 步驟1:將涂有吸收保護層的工件裝夾到運動系統(tǒng)上，采用水為約束層； 步驟2:觸發(fā)激光，將激光作用在吸收保護層上，吸收保護層吸收激光能量，并誘導產(chǎn)生等離子體沖擊波；所述激光的功率密度為I~6GW/cm2、激光的脈沖為ns量級； 步驟3:按照待處理區(qū)域移動工件，以激光誘導等離子沖擊波作用工件待處理區(qū)域表層材料發(fā)生高應變率動態(tài)響應，產(chǎn)生高密度位錯，并使晶粒細化；激光光斑間的面積搭接率為50%以上； 步驟4:采用磁控濺射、真空蒸鍍或離子鍍工藝對步驟3完成的激光沖擊進行膜層制備。
【文檔編號】C23C14/02GK103498125SQ201310473124
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】汪誠, 柴艷, 安志斌, 薛彥慶 申請人:中國人民解放軍空軍工程大學