CN102268626A - 一种金属表面改性方法 - Google Patents

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杨尚磊
林庆琳
孙明杰
盖永刚
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Abstract

本发明涉及一种金属表面改性方法，本发明首先用电子束毛化方法于材料表面获得一定表面粗糙度值的毛化表面，形成均匀的微小凹坑，增加界面的结合强度；然后采用等离子喷涂工艺，以Co基合金或Ni基合金粉末为材料，形成涂层；最后采用激光重熔技术对涂层表面作重熔处理，改善涂层表面组织，提高表面性能。与现有技术相比，该工艺能实现耐高温、耐腐蚀、抗氧化、抗疲劳的性能，且结合强度高，涂层组织均匀致密，从而可大大地拓宽应用范围。

Description

一种金属表面改性方法
技术领域
本发明涉及一种表面处理的方法，尤其是涉及一种采用表面毛化-粉末喷涂-激光重熔技术对金属表面改性方法。
背景技术
电子束毛化是指高能电子束在电子枪中加速至约1/3光速，聚焦、投射在待改性材料表面，与待改性材料碰撞并以热的形式释放出能量。在足够高的温度下与电子束相遇的那部分材料便熔化并部分蒸发，形成的蒸汽压将熔化的材料爆炸性地喷出，形成凹坑。通过调整加速电场电压、电子束功率、脉冲频率及使电子束偏转，即可在待改性材料表面获得具有一定表面粗糙度值的毛化表面。
喷丸毛化是指采用硬质颗粒高速撞击待改性材料，毛化形貌随机，表面机械变形强化，粗糙度精度控制差，伴生波浪度，噪音和粉尘污染严重。
电火花毛化是指电极尖端放电在待改性材料表面产生烧蚀作用，毛化效率高，粗糙度与精度较好，毛化形貌效果优于喷丸。
激光毛化的工作原理是：通过激光器生成激光束，当激光束作用在待改性材料表面时，产生局部高温，改变待改性材料表面的显微组织，并产生无数所需形状和分布的微坑。为解决高温熔化过度的问题，在激光器探头旁设有一个冷气嘴，对局部熔化过的表面进行及时冷却。采用电信号波形调控技术，对微坑的形状可以调整为圆形、菱形、三角形和矩形，也可以对粗糙度(Rz值)进行调整。通过采用激光毛化待改性材料，可以使待改性材料表面获得可控的规则表面形貌。它克服了传统喷丸毛化不规则形貌带来的待改性材料缺陷和形貌难以控制的问题，提高了待改性材料性能、表面映像清晰度和涂覆性能，同时也提高待改性材料的使用寿命。
激光毛化脉冲快速熔凝，毛化效果好，有改性强化效果，粗糙度精度高。但能量转换效率逊于电火花和电子束。电子束毛化有优良的毛化性能，电子束脉冲快速熔凝。毛化效果好，加工效率高，有改性强化效果，粗糙精度高。
等离子喷涂是利用等离子热源将材料加热至熔化或热塑性状态，形成一簇高速的熔态粒子流(熔滴流)，依次碰撞基体或已形成的涂层表面，经过粒子的横向流动扁平化，急速凝固冷却，不断沉积而形成的。熔滴在形成涂层的过程中，由于很高的扁平化速度和冷却凝固速度，各熔滴的行为在通常的喷涂条件下是相互独立的，后一道喷涂粉末在前一道涂层上熔覆，因此等离子喷涂的涂层具有层状结构的特征。
激光重熔处理技术是一种将激光技术和热处理相结合的激光表面强化技术，也是一种有效提高等离子喷涂层性能的方法，可以消除了喷涂层的层状结构、大部分空隙和氧化物杂志，形成了均匀致密的涂层，保证了涂层的性能，从而提高了工作的使用寿命。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用范围广，强度高，涂层组织均匀致密的金属表面改性方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种金属表面改性方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)电子束毛化：采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
(2)粉末喷涂：利用惰性气体吹送，对形成的凹坑喷涂合金粉末材料，形成涂层；
(3)激光重熔：采用激光重熔技术对涂层表面进行重熔处理。
所述步骤(1)中电子束毛化过程在真空条件下完成。
所述步骤(1)中的毛化凹坑的直径为0.2-0.4mm，深度为0.1-0.2mm。
所述步骤(2)中的粉末喷涂可采用火焰喷涂、电弧喷涂或等离子喷涂。
所述步骤(2)中的合金粉末材料为Co基合金或Ni基合金。
所述步骤(2)中的惰性气体为氦气或氩气，该惰性气体的纯度不低于99.99％。
所述步骤(3)中激光重熔技术为采用CO2激光器对涂层表面进行重熔处理，利用CO2激光器形成光斑，采用该光斑对涂层表面进行扫描。
所述的CO2激光器的功率为2.5kW，光斑直径为1-12mm，扫描速度为2-15mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
该表面处理技术是集堆焊、喷涂、粉末冶金、重熔技术特点的一种创新的表面改性技术，大大地拓展了高硬度合金、金属陶瓷等材料方面的应用范围，能有力地带动新材料产业的发展，涂层所选材料原则上不受限制；通过该技术能实现耐高温、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、抗冲击、抗疲劳、抗应力腐蚀以及其它特殊功能的复合涂层或梯度涂层；涂层与基体为冶金结合，结合强度接近熔化焊的强度，比常规的热喷涂涂层结合强度可提高1.5～10倍，涂层组织均匀致密，从而可大大地拓宽应用范围。
由于这种技术具有如上特点，所以应用领域和应用范围极广，不仅能用于机械设备的表面改性和废旧产品的修复，而且还可以应用于某些新产品的制造。如航空航天，军舰，坦克，炮弹以及常规武器；机械设备、石油化工、水利电力、矿产冶金、农林牧业、铁路交通、民用、食品机械、电子通讯、医疗机械、环保工程等领域的设备制造或维修，从而实现节省资源和能源的目的。
具体实施方式
本发明将通过以下具体实施例来说明本发明的实施过程。
实施例1
一种金属表面改性方法，采用表面毛化-粉末喷涂-激光重熔技术对金属表面改性，包括以下步骤：
在真空中用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑，电子束毛化凹坑的直径为0.4mm，深度为0.2mm，同时利用等离子体喷涂技术将Co基合金粉末喷涂到被处理金属表面的凹坑中，喷涂吹送用的惰性气体为氩气，其纯度为99.99％，Co基合金粉末为Stellite 6，其化学成分如表1所示，然后利用等离子弧的吹力将熔化的基体金属与纳米Co基合金粉末混合均匀，形成致密而结合强度极高的熔-喷涂层，最后利用CO2激光器对熔-喷涂层进行单激光扫描，其中功率为2.0kW，扫描速度为2.0mm/s，光斑直径为1.2mm，即得到处理好的金属。
实施例2
一种金属表面改性方法，采用表面毛化-粉末喷涂-激光重熔技术对金属表面改性，包括以下步骤：
在真空中用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑，电子束毛化凹坑的直径为0.2mm，深度为0.2mm，同时利用火焰喷涂技术将Co基合金粉末喷涂到被处理金属表面的凹坑中，Co基合金粉末为HMSP2528，其化学成分如表1所示，喷涂吹送用的惰性气体为氦气，其纯度为99.99％，然后利用火焰的吹力将熔化的基体金属与纳米Co基合金粉末混合均匀，形成致密而结合强度极高的熔-喷涂层，最后利用CO2激光器对熔-喷涂层进行单激光扫描，其中功率为5.0kW，扫描速度为2.0mm/s，光斑与直径比为4.0mm，即得到处理好的金属。
实施例3
一种金属表面改性方法，采用表面毛化-粉末喷涂-激光重熔技术对金属表面改性，包括以下步骤：
在真空中用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑，电子束毛化凹坑的直径为0.3mm，深度为0.1mm，同时利用等离子体喷涂技术将纳米Co基合金粉末喷涂到被处理金属表面的凹坑中，Co基合金粉末为HMSP2528，其化学成分如表1所示，喷涂吹送用的惰性气体为氦气，其纯度为99.99％，然后利用等离子弧的吹力将熔化的基体金属与Co基合金粉末混合均匀，形成致密而结合强度极高的熔-喷涂层，最后利用CO2激光器对熔-喷涂层进行单激光扫描，其中功率为4.0kW，扫描速度为15.0mm/s，光斑与直径比为4.0mm，即得到处理好的金属。
实施例4
一种金属表面改性方法，采用表面毛化-粉末喷涂-激光重熔技术对金属表面改性，包括以下步骤：
在真空中用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑，电子束毛化凹坑的直径为0.1mm，深度为0.2mm，同时利用电弧喷涂技术将Co基合金粉末喷涂到被处理金属表面的凹坑中，Co基合金粉末为HMSP2537，其化学成分如表1所示，喷涂吹送用的惰性气体为氩气，其纯度为99.99％，然后利用电弧的吹力将熔化的基体金属与Co基合金粉末混合均匀，形成致密而结合强度极高的熔-喷涂层，最后利用CO2激光器对熔-喷涂层进行单激光扫描，其中功率为6.0kW，扫描速度为12.0mm/s，光斑直径为1.5mm，即得到处理好的金属。
表1  Co基合金粉末材料的化学成分
Figure GSA00000137960700051

Claims (8)

1.一种金属表面改性方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)电子束毛化：采用电子束对被处理的金属表面进行毛化，形成微小的毛化凹坑；
(2)粉末喷涂：利用惰性气体吹送，对形成的凹坑喷涂合金粉末材料，形成涂层；
(3)激光重熔：采用激光重熔技术对涂层表面进行重熔处理。
2.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(1)中电子束毛化过程在真空条件下完成。
3.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(1)中的毛化凹坑的直径为0.2-0.4mm，深度为0.1-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(2)中的粉末喷涂可采用火焰喷涂、电弧喷涂或等离子喷涂。
5.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(2)中的合金粉末材料为Co基合金或Ni基合金。
6.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(2)中的惰性气体为氦气或氩气，该惰性气体的纯度不低于99.99％。
7.根据权利要求1所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述步骤(3)中激光重熔技术为采用CO2激光器对涂层表面进行重熔处理，利用CO2激光器形成光斑，采用该光斑对涂层表面进行扫描。
8.根据权利要求6所述的一种金属表面改性方法，其特征在于，所述的CO2激光器的功率为2.5kw，光斑直径为1-6mm，扫描速度为2-15mm/s。
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