CN101112701A - 基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法，属于一种新材料加工方法，该方法的主要创新点在于对热喷涂梯度涂层采用多次激光重熔方法进行复合加工，克服了在无激光重熔或一次激光重熔下梯度涂层的各个子涂层不能全都达到冶金结合、涂层中梯度结构会被破坏、梯度涂层中热喷涂片层组织不能消除等缺点。具体过程为首先对基体金属材料进行净化及活化处理；然后在基体表面热喷涂第一种梯度材料，接着对第一梯度层进行一次激光重熔，使其和基体间形成冶金结合；随后再在激光重熔后的第一梯度层表面喷涂第二种梯度材料，并进行第二次激光重熔，使两梯度涂层间形成冶金结合；依次采用该方法，对所有的梯度涂层分别进行热喷涂/激光重熔加工。具有加工方法简单可靠，能满足涂层综合性能要求的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种多梯度涂层材料的加工方法，尤其是一种基体材料表面热喷涂梯度涂层加工方法，具体地说是一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法。
背景技术
目前，在航空、航天、国防、汽车、船舶、化工、钢铁等工业中，涂层的应用越来越广泛。各种不同成分的涂层能够极大的提高基体零部件的耐磨、耐热、耐腐蚀等性能。梯度涂层因其较非梯度涂层具有更好的力学性能和高温性能、更长的使用寿命，近年引起各国广泛关注，成为先进涂层研究的重要方向之一。
涂层材料和基体材料往往具有较大的差异，采用表面技术虽然能在基体表面覆盖上性能良好的涂层，但是在温度波动环境中使用时，涂层常常会因为界面上材料性能突变引起失效。因此，人们通过设计涂层材料的梯度变化，使得涂层表面与基体间形成一个逐渐过渡的区域，降低了材料突变对涂层结合性能的影响。如专利01115197.8、03113840.3、200310110666.4等中就提到了采用不同方法制备不同梯度涂层的具体方法。
热喷涂/激光重熔技术是将激光热处理与传统涂层技术相结合的先进涂层复合制备技术，即在热喷涂制备涂层表面再利用激光辐照进行重熔处理。对于直接激光重熔或者熔覆国内外已经有相关研究，如清华大学在专利98101293.0中就提到了采用激光熔覆的方法提高热喷涂涂层表面质量的方法。总体而言，这种技术的优点主要包括三点：一是通过激光的瞬间高温过程，使得基体和粘结层间发生冶金结合能增强基体、粘结层和工作层间的结合能力；二是能够消除喷涂层中的片层状结构，减少涂层孔隙率，细化组织晶粒，提高涂层表面耐磨性；三是对于涂层材料和基体材料熔点温度差异大、纳米或超细晶粒尺寸的涂层，可以克服传统热处理无法避免的对涂层及基体的影响。对于梯度涂层而言，在激光加热方式下，由于涂层深度方向上的温度差异很大，因此单次激光重熔不能同时实现涂层中各子层间的冶金结合、而且大功率下还会破坏涂层的梯度结构，进而影响最终的涂层质量，致使产品合格率较低，目前尚无很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有的热喷涂梯度涂层由于具有多个子涂层无法在一次激光重熔中实现有效重熔而影响各涂层之间的结合及涂层与基材之间的有效结合问题，发明一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法。
本发明的技术方案是：
一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法，其特征是：
首先对基体表面进行净化、活化处理；
其次利用热喷涂装置在基体表面喷涂第一种过渡材料获得第一过渡涂层；
第三，在过渡涂层冷却后，使用大功率激光器对所得涂层进行第一次激光重熔处理，实现涂层和基体间的冶金结合；
第四，在激光重熔后的第一层过渡涂层表面喷涂第二种过渡材料，制备得到第二过渡涂层；
第五，再次使用激光器对所得涂层进行第二次激光重熔处理，实现第二和第一过渡涂层的冶金结合；
第六，采用相同的方法完成后续的梯度涂层的喷涂和激光重熔，即完成一层梯度涂层的喷涂后即进行一次实现冶金结合的激光重熔，直至完成所有梯度涂层的喷涂和激光重熔得到结合强度和表面性能符合要求的复合梯度涂层材料。
本发明的有益效果：
1、本发明采用多次激光重熔的方法对梯度涂层进行逐层重熔热处理，一定参数下能使得各个梯度涂层之间实现良好的冶金结合，提高了涂层的结合性能。
2、通过逐次激光重熔，克服了一次激光重熔无法熔透涂层的缺点，同时在重熔后仍然保留了特有的梯度结构，因此所得的涂层的结合性好，性能稳定。
3、由于梯度涂层中各子层的厚度较小，从而降低了逐次激光重熔加工时的功率密度，减少了激光重熔对基材性能的影响。
4、通过复合激光重熔，可以使得热喷涂梯度涂层中的片层状结构消失，获得性能良好的致密涂层，提高涂层质量。
5、在加工具有小晶粒组织的纳米涂层时，通过采用激光重熔这种具有快速升、降温速率的热处理方法可以使得重熔后的涂层的晶粒仍然能在较小范围之内，克服了传统热处理后涂层晶粒长大的缺点。
6、通过逐次激光重熔，不断消除了各子涂层内由热喷涂造成的应力及提高了层间结合强度，因此克服了热喷涂加工厚涂层容易出现应应力而崩裂、剥落的现象，提高了厚涂层的可加工性。
7、通过逐次激光重熔，使得各子层间由于冶金结合而互扩散，从而使得梯度涂层的梯度性能变得更好，强化了涂层材料过渡的均匀性。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示。
一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法，其步骤为：
首先对基体表面进行净化、活化处理；
其次利用热喷涂装置在基体表面喷涂第一种过渡材料获得第一过渡涂层；
第三，在过渡涂层冷却后，使用大功率激光器对等所得涂层进行第一次激光重熔处理，实现涂层和基体间的冶金结合；
第四，在激光重熔后的第一层过渡涂层表面喷涂第二种过渡材料，制备得到第二过渡涂层；
第五，再次使用激光器对所得涂层进行第二次激光重熔处理，实现第二和第一过渡涂层的冶金结合；
第六，采用相同的方法对加工后续的梯度涂层，直至完成所有梯度涂层的制备。循环过程如图1所示。
下面结合一个具体的例子作进一步的说明。
在5mm厚钢基(即基材)表面上采用基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法制备NiCoCrAlY/Al2O3-13TiO25层梯度涂层，表1给出了各层相关信息。其操作步骤如下：
1.对钢基体表面进行除油，喷沙处理。采用亚音速喷沙枪以1MPa的压力，3kg/min的流量进行粗化，增加粘结层和基体的接触面积。
2.使用美国普莱克斯公司3710型等离子喷涂系统进行喷涂加工，首先在基体上喷涂100μm厚度的梯度层1(100％NiCoCrAlY)，加工参数参见表2。
3.对梯度层1进行激光重熔处理。选用的激光器为美国PRC公司产2KWCO2气体激光器，选用矩形光斑，其光斑尺寸5mm×3mm，加工参数参见表3。
4.在激光重熔梯度层1上喷涂100μm厚度的梯度层2(75％NiCoCrAlY/25％Al2O3-13TiO2)，加工参数参见表2。
5.对梯度层2进行激光重熔处理，加工参数参见表3。
6.重复上述方法依次加工梯度层3、4、5，获得结合性能优良、综合性能优良的梯度陶瓷涂层。
表1梯度涂层结构
| 梯度层序号 | 梯度层材料 | 梯度层厚度 | 总体 |
| 1 | 100％NiCoCrAlY | 100μm | 在钢基体表面制备共500μm厚的5层梯度变化的NiCoCrAlY/Al-2O3-13TiO2梯度涂层。 |
| 2 | 75％NiCoCrAlY/25％Al-2O3-13TiO2 | 100μm | |
| 3 | 50％NiCoCrAlY/50％Al-2O3-13TiO2 | 100μm | |
| 4 | 25％NiCoCrAlY/75％Al-2O3-13TiO2 | 100μm | |
| 5 | 100％Al2O3-13TiO2 | 100μm |
表2梯度涂层喷涂参数
| 喷涂参数 | 梯度层1 | 梯度层2 | 梯度层3 | 梯度层4 | 梯度层5 |
| 功率(I×V) | 700A×43V | 750A×43V | 800A×43V | 850A×43V | 900A×43V |
| 主气，Ar[PSI] | 65 | 60 | 55 | 50 | 45 |
| 辅气，He[PSI] | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 |
| 载气，Ar[PSI] | 40 | ||||
| 喷涂距离[mm] | 110 | 120 | 130 | 140 | 150 |
| 送粉率[rpm] | 2 | 2.5 | 3 | 3.5 | 4 |
| 喷枪移速[mm/s] | 90 | 87 | 85 | 82 | 80 |
表3梯度涂层激光重熔加工参数
| 喷涂参数 | 梯度层1 | 梯度层2 | 梯度层3 | 梯度层4 | 梯度层5 |
| 功率[W] | 650 | 550 | 500 | 450 | 400 |
| 速度[m/min] | 0.5 | 0.4 | 0.2 | 0.15 | 0.09 |
| 焦距[mm] | 105 | ||||
| 光斑尺寸[mm] | 5×3 | ||||
| 搭接率 | 0.2 | 0.22 | 0.25 | 0.28 | 0.3 |
Claims (1)
1.一种基于多次激光重熔的热喷涂梯度涂层加工方法，其特征是：
首先对基体表面进行净化、活化处理；
其次利用热喷涂装置在基体表面喷涂第一种过渡材料获得第一过渡涂层；
第三，在过渡涂层冷却后，使用大功率激光器对所得涂层进行第一次激光重熔处理，实现涂层和基体间的冶金结合；
第四，在激光重熔后的第一层过渡涂层表面喷涂第二种过渡材料，制备得到第二过渡涂层；
第五，再次使用激光器对所得涂层进行第二次激光重熔处理，实现第二和第一过渡涂层的冶金结合；
第六，采用相同的方法完成后续的梯度涂层的喷涂和激光重熔，即完成一层梯度涂层的喷涂后即进行一次实现冶金结合的激光重熔，直至完成所有梯度涂层的喷涂和激光重熔得到结合强度和表面性能符合要求的复合梯度涂层材料。
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