CN102140644A

CN102140644A - 一种改变材料表面纳米性能的方法

Info

Publication number: CN102140644A
Application number: CN 201110065470
Authority: CN
Inventors: 任旭东; 皇甫喁卓; 张永康; 周益军; 阮亮; 姜大伟; 张田
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明公开了一种改变材料表面纳米性能的方法，涉及机械制造、金属表面强化技术和纳米技术领域，本发明使用高功率密度、短脉冲的激光束冲击预处理后的材料表层；随后在450℃~600℃温度下进行粉末渗铝；清洗后，再用激光冲击渗铝后的铝化物涂层，最终获得接近纳米结构的铝化物涂层，这种工艺顺序大大减少获得表面涂层的时间，提高材料的抗高温氧化性、腐蚀性；同时，材料表层发生超高应变率的塑性变形，产生了高幅值的残余压应力，涂层结构的存在可以阻止高温环境下残余应力的释放，所以材料的高温疲劳寿命得到提高。因此通过本发明的方法获得的铝化物涂层，可以综合提高材料的抗高温氧化性、腐蚀性、耐磨性和高温疲劳寿命。

Description

一种改变材料表面纳米性能的方法

技术领域

本发明涉及机械制造、金属表面强化技术和纳米技术领域，特指一种激光冲击强化与渗铝的复合处理技术改变材料表面纳米性能，获得接近纳米结构的铝化物涂层，尤其适用于航空航天、石油化工、工程机械等高温环境下构件材料的表面改性处理。

背景技术

在很多行业中，例如航空航天、工程机械、船舶、石油化工，大多数构件要在高温、高腐蚀性、高氧化性的环境下运作，所以要求构件材料具有良好的高温疲劳特性、抗氧化性。大多数材料的失稳始于表面，因此表层材料的性质尤为重要，当材料表层产生纳米结构或接近纳米结构时，材料的综合力学性能和环境服役能力明显提高。

目前，在材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种：表面涂覆或沉积法、表面自身纳米化方法和混合纳米化法。表面涂层或沉积方法是在制备出具有纳米尺度的颗粒后，将其固结在材料表面，形成纳米结构表层。表面自身纳米化是采用非平衡处理的方法，增加材料表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。混合方式是将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时，对材料进行化学处理，在材料的表层形成与基体成分不同的纳米结构涂层。但是往往获得纳米涂层时间较长，且表面质量不够理想。本发明提出的表面纳米化法，可解决这一问题，快速获得纳米结构涂层且效果好、污染小。

激光冲击强化是利用高功率密度、短脉冲强激光冲击金属表面，金属表面涂层吸收激光能量而气化、电离，形成向金属内部传播的等离子体冲击波，金属表层在高应变率作用下发生了较大的塑性变形，表层材料被细化，且大大增加其位错密度，在表层产生了残余压应力，形成强化区，从而提高材料的疲劳性能、耐磨性等机械性能。这一技术已在航空、船舶、微电子、材料、机械工程等各行各业中得到了广泛应用。

材料表面渗铝在一定温度下将铝原子渗入工件表面的化学热处理工艺。工件经渗铝后不仅可以保持工件基体的韧性，而且具有很高的抗高温氧化与抗热腐蚀能力，渗铝工艺方法有热浸镀法渗铝、粉末包埋法渗铝、料浆法渗铝、气相渗铝、热喷涂铝等。

发明内容

本发明提出了一种新型的改变材料表面纳米性能的方法：使用高功率密度、短脉冲的强激光束冲击预处理后的材料表层；随后在450℃~600℃温度下对材料进行粉末渗铝；清洗后，再用激光冲击渗铝后的铝化物涂层，最终制备接近纳米结构的铝化物涂层，并确定一定的工艺顺序，大大减少形成涂层的时间。

具体技术方案如下：首先，对材料进行激光冲击强化，使用黑漆作为能量吸收层，流水作为约束层，激光冲击处理参数为：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20~30ns，波长是1.06μm，脉冲能量为10~35J。激光冲击后，材料表层产生了超高应变率的塑性变形和高的位错密度，多次激光冲击后可使材料表面细化、微晶化，并且获得一定深度的残余压应力层。

然后，进行渗铝处理，采用固体粉末渗铝法，由于激光冲击强化处理后产生了强塑性变形和高密度的位错，表层存在着大量的非平衡晶界，这些高体积分数的晶界为原子扩散提供了理想的通道，加速了渗铝的过程、降低的渗铝的温度。渗铝参数：渗铝剂由10%~30%的铝粉、65%~75%的氧化铝的填充剂和1%~5%的氯化铵助渗剂组成，温度450~600摄氏度，时间4~6小时，渗铝后产生的铝化物涂层有效地提高了材料的抗高温氧化性能和抗腐蚀性能。

最后，再进行激光冲击强化处理，对渗铝后的表面清洗后进行抛光处理，随后涂以黑漆，以水为约束层，激光冲击处理参数为：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度15~30ns，波长是1.06μm，脉冲能量为15~25J。进一步细化涂层的颗粒大小，同时加强铝化物涂层与基体的结合强度，得到非常致密的近纳米级的铝化物涂层。

本发明旨在获得致密的、近乎纳米结构的铝化物涂层，提高材料在高温环境下的抗疲劳、抗氧化、抗腐蚀性能。

其优点在于：

1. 材料首先进行激光冲击强化处理，使表层材料细化、微晶化，这样可以降低渗铝处理的温度，加快基体原子和铝原子扩展速度，使获得致密的铝化物涂层的时间大大减少。

2. 本发明所指的技术通过激光搭接及激光光斑直径的调整可以在大平面板材上获得纳米结构涂层。

3. 本发明具有前瞻性，使用了激光冲击强化技术，清洁、高效、易于自动化、可控性高，具有很好前景的技术，随着时代的发展，必然被广泛应用。

附图说明

图1 表面纳米化处理过程中材料表层变化示意图。

图2复合处理工艺路线图。

图3致密结构铝化物涂层试样抗高温氧化性对比。

具体实施方式

具体实施例一：以00Cr12合金耐热钢为例，进行本发明所指的表面处理方法，对试样经过清洗、抛光后，涂上黑漆作为能量吸收层，以流水为约束层，进行激光冲击强化，激光脉冲宽度20~30ns，波长是1.06μm，脉冲能量为10~35J，冲击后表层产出微凹坑，材料被细化；然后清洗黑漆，烘干、装箱、加热渗铝，渗铝工艺参数为：渗剂用5%～20%的Al-Fe合金粉末，活化剂用氯化铵1%～5%，填充剂为氧化铝粉60%～80%。渗铝粉末经充分混合之后，装入不锈钢罐内，把00Cr12合金耐热钢埋在其中，用不锈钢盖板和耐火泥土封好端口。渗铝罐在箱式电阻炉内加热到600℃，保温6h后随炉冷却到室温；接着清洗、抛光，再次进行激光冲击强化。最终获得了颗粒大小50~200nm的铝化物涂层，该涂层的存在使得00Cr12的抗高温氧化性能、抗高温疲劳性能和抗腐蚀性大大提高。

对使用本复合方式处理得到致密结构铝化物涂层的材料进行抗高温氧化试验，对比表面没有处理改性的试样的氧化速率，如图3，未处理的耐热钢氧化增重比较明显，差不多呈直线上升趋势，而改性后的试样增重现象不是很明显，且氧化速率明显低于未处理的，说明复合表面处理改变表面纳米性能后，材料具有良好的抗高温氧化性能。

Claims

1.一种改变材料表面纳米性能的方法，其特征在于，使用高功率密度、短脉冲的强激光束冲击预处理后的材料表层；然后在450℃~600℃温度下对材料进行粉末渗铝；清洗后，使用黑漆作为能量吸收层，流水作为约束层，用激光冲击渗铝后形成的铝化物涂层，最终制备得到类纳米结构的铝化物涂层。

2.根据权利要求1所述的一种改变材料表面纳米性能的方法，其特征在于：对材料进行激光冲击强化时，使用黑漆作为能量吸收层，流水作为约束层；激光冲击处理参数为：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度20~30ns，波长是1.06μm，脉冲能量为10~35J激光冲击后，材料表层产生了超高应变率的塑性变形和高的位错密度，多次激光冲击后可使材料表面细化、微晶化，并且获得一定深度的残余压应力层。

3.根据权利要求1所述的一种改变材料表面纳米性能的方法，其特征在于：进行渗铝处理时，采用固体粉末渗铝法，渗铝参数：渗铝剂由10%~30%的铝粉、65%~75%的氧化铝的填充剂和1%~5%的氯化铵助渗剂组成，温度450~600摄氏度，时间4~6小时，激光冲击产生的冲击波效应使材料表层发生强塑性应变和产生大密度位错，表层材料晶粒细化，加快渗铝速率，降低渗铝温度。

4.根据权利要求1所述的一种改变材料表面纳米性能的方法，其特征在于：渗铝后材料表层获得的铝化物涂层，再进行激光冲击强化处理时，对渗铝后的表面清洗后进行抛光处理，随后涂以黑漆，以水为约束层二次激光冲击铝化物涂层，激光冲击处理参数为：钕玻璃调Q激光器，激光脉冲宽度15~30ns，波长是1.06μm，脉冲能量为15~25J；涂层再次发生强塑性应变，最终获得接近纳米结构铝化物涂层。