CN103469197A - 在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法，包括：对硬基板进行喷砂处理；硬基板的硬度>300HV；选择颗粒直径为30～50微米的球形硬质颗粒进行预热，预热温度为300～600℃；硬质颗粒为2Cr13、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718中的一种或多种；利用1.5～3.0MPa压缩空气携带预热后的硬质颗粒在硬基板表面进行喷涂；启动激光同步加热喷涂区域，从而在硬基板表面形成硬质颗粒涂层；激光功率密度为3～5×10⁵W/cm²，波长为850～1060nm。本技术方案能够显著提高硬质颗粒与基板撞击时塑性变形，从而提升涂层的结合力，获得更高的、稳定性能的涂层。

Description

在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法

（一）技术领域

本发明涉及激光技术和冷喷涂技术，尤其涉及压缩空气驱动的激光辅助冷喷涂技术，特别是涉及一种在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法。

（二）背景技术

冷喷涂技术由于消除了高温对涂层和基体的不利影响，避免了氧化及生成不需要的物相，对于制备易于氧化的材料的涂层具有十分重要的意义。目前的研究表明，冷喷涂可以实现包括金属Al、Zn、Cu、Ni、Ca、Ti、Ag、Co、Fe、Nb、NiCr合金、MCrAlY合金、高熔点Mo、Ta以及高硬度的金属陶瓷Cr5C2-25NiCr、WC-21Co等涂层的制备，可以实现用异种材料制备复合涂层或合金涂层以及纳米材料涂层等，并且能够在金属、陶瓷或玻璃等基体表面上形成涂层。例如，美国利用冷喷涂技术制备的高纯铜涂层已应用于一级火箭发动机集束管，锌铝涂层已应用于汽车底盘的防腐蚀，此外，还用于生产汽车和飞机用新型韧性涂层，在梯度涂层中连接异种金属，制造小型涂层复合件以及进行低温涂覆等。德国已将冷喷涂的涂层用于汽车尾气排气管的防护，解决了原来采用热喷涂技术所引起排气管的疲劳断裂问题，提高了其使用寿命。日本将冷喷涂的高性能导电涂层用于电子工业。俄罗斯的冷喷涂已经在电器、机械制造和汽车行业应用，并在西伯利亚钢铁厂建立了钢管内表面防腐涂层（Al，Zn）制备的自动生产线，可以处理管径在65mm以上，长度在6000mm以内的钢管。英国剑桥大学已经将冷喷沉积技术应用到了许多领域，如将氧化铝沉积到钛合金上，制备出关节球体；冷喷涂铜到铝基体上，实现了异种连接；同时可实现多层沉积无裂纹、缺陷。

但单纯冷喷涂需要使用氦气作为负载气体，成本高，同时沉积涂层存在与基板接合力低、孔隙率较大等缺点。国内专利申请号为200610116569.X的专利文献提出了“含有激光照射的冷气动力喷涂方法”，采用不含氧气的惰性气体或还原性气体驱动冷喷涂，并辅以激光照射，在一定的角度和加热温度范围内完成涂层的制备，从而降低粒子临界速度，提高粘结效率和粘结强度，保证喷涂粒子的组织结构稳定性。该方法的特点在于：（1）使用不含氧气的惰性气体或还原性气体作为驱动气体，成本低于冷喷涂最初使用的氦气；（2）所列举的实施例仅限于在较软基体上喷涂较软的颗粒，如纯铜、纯铝、316L基板和纯铜、纯铝、316L、纯镍、纯钛等颗粒，无法适用于硬基板上获得硬质颗粒涂层。

（三）发明内容

本发明的目的在于提供一种在硬基板（>300HV）上通过激光辅助冷喷涂技术获得硬质颗粒涂层的方法，使用的高压气体为低成本的压缩空气。该方法能够显著提高硬质颗粒（>300HV）与基板撞击时塑性变形，从而提升涂层的结合力，获得更高的、稳定性能的涂层。

本发明的实现方式如下：

在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法，包括如下步骤：

1）对硬基板进行喷砂处理；所述硬基板的硬度>300HV；

2）选择颗粒直径为30～50微米的球形硬质颗粒进行预热，预热温度为300～600℃；所述硬质颗粒为2Cr13、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718中的一种或多种；

3）利用压缩空气携带预热后的硬质颗粒在硬基板表面进行喷涂；所述压缩空气的压强为1.5～3.0MPa；

4）启动激光同步加热喷涂区域，从而在硬基板表面形成硬质颗粒涂层；激光功率密度为3～5×10⁵W/cm²，波长为850～1060nm。

本发明的工作原理是激光技术与冷喷涂技术的复合应用。激光的主要作用是加热冷喷涂粉末颗粒与基板，使其表面软化，降低颗粒表层和基板表面的硬度，使其易于发生较大的塑性变形。基板在喷涂前，需进行喷砂处理，使其表面获得较好的粗糙度，增强结合力，提高激光吸收率。在工作过程中，为获得合适的颗粒速度，可以对颗粒进行预热，预热温度为300～600℃。

本发明的优点在于：

1.在硬度大于300HV的硬基板上实现了硬质颗粒的冷喷涂。

2.降低了冷喷涂技术中的颗粒预热温度。通过激光的热作用，降低颗粒表层和基板表面的硬度，提高塑性变形能力。但为了获得一定的颗粒临界速度，可根据需要对冷喷涂颗粒进行一定的预热，预热温度为300～600℃。

3.在喷涂过程中，采用较低成本的压缩空气作为驱动气体，替代原有的惰性气体（如氦气、氮气）和还原性气体。

4.通过激光辅助制备局部选区性涂层。由于激光的加热作用，颗粒撞击仅在激光作用区域与基板产生强烈塑性变形和结合，可以按照激光预定的区域或轨迹实施喷涂。同时由于热影响小，可以保证基板不发生变形。

（四）附图说明

图1为45钢圆柱表面上激光辅助冷喷涂Ni45颗粒涂层的金相显微镜图片；

图2为S43C低碳钢表面激光辅助冷喷涂Ni60颗粒涂层的金相显微镜图片；

（五）具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

实施例1

对45钢圆柱进行喷砂作为基板，选择颗粒直径为30微米的Ni45球形颗粒进行激光辅助冷喷涂。激光器选用光纤激光器，使用的功率密度为3×10⁵W/cm²。高压气体为1.5MPa压缩空气，颗粒预热至温度为600℃，45钢圆柱通过机床控制旋转，同时开始送粉，启动激光同步加热喷涂区域，在45钢圆柱表面形成硬质颗粒涂层。Ni45沉积涂层的金相照片如图1所示，能明显看出颗粒之间发生撞击，产生变形并结合在一起。

然而当不加入激光加热时，无论如何调整参数，均在基板上未形成任何沉积。

实施例2

对S43C低碳钢进行喷砂后作为基板，选择颗粒直径为40微米的Ni60材料进行激光辅助冷喷涂。激光器选用半导体激光器，功率密度为4×10⁵W/cm²。高压气体为3.0MPa压缩空气，颗粒预热温度为500℃，启动送粉，采用Staubli机械手控制喷嘴走到起始点后，启动激光，完成平面喷涂，喷涂过程中激光同步加热喷涂区域。所制备的硬质颗粒涂层金相照片如图2所示，能明显看出颗粒之间通过撞击发生塑性变形，结合在一起，测量其显微硬度为610HV。

然而当不加入激光加热时，无论如何调整参数，均在基板上未形成任何沉积。

实施例3

对45钢板进行喷砂后作为基板，选择颗粒直径为50微米的Ni60材料进行激光辅助冷喷涂。激光器选用半导体激光器，使用的功率密度为5×10⁵W/cm²。高压气体为3.0MPa压缩空气，颗粒预热温度为600℃，同时控制Staubli机械手控制喷嘴运动和启动送粉，并启动激光同步加热喷涂区域，在基板表面形成沉积涂层。

实施例4

对17-4PH钢板进行喷砂后作为基板，选择颗粒直径为35微米的17-4PH材料进行激光辅助冷喷涂。激光器选用半导体激光器，使用的功率密度为4.5×10⁵W/cm²。高压气体为2.5MPa压缩空气，颗粒预热温度为450℃，同时控制Staubli机械手控制喷嘴运动和启动送粉，并启动激光同步加热喷涂区域，在基板表面形成沉积涂层。

然而当不加入激光加热时，无论如何调整参数，均在基板上未形成任何沉积。

实施例5

对2Cr13板进行喷砂后作为基板，选择颗粒直径为50微米的2Cr13材料进行激光辅助冷喷涂。激光器选用半导体激光器，使用的功率密度为4×10⁵W/cm²。高压气体为2.4MPa压缩空气，颗粒预热温度为300℃，同时控制Staubli机械手控制喷嘴运动和启动送粉，并启动激光同步加热喷涂区域，在基板表面形成沉积涂层。

然而当不加入激光加热时，无论如何调整参数，均在基板上未形成任何沉积。

实施例6

对2Cr13板进行喷砂后作为基板，选择颗粒直径为35微米的Inconel718材料进行激光辅助冷喷涂。激光器选用半导体激光器，功率密度为4×10⁵W/cm²。冷喷气体为压缩空气，气体预热至温度为500℃(420-440℃)，加压至3.0MPa时，启动送粉，采用staubli机械手控制喷嘴走到起始点后，开启激光，完成平面喷涂，喷涂过程中激光同步加热喷涂区域，在基板表面形成沉积涂层。

然而当不加入激光加热时，无论如何调整参数，均在基板上未形成任何沉积。

Claims (1)

1.在硬基板上通过激光辅助冷喷涂获得硬质颗粒涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）对硬基板进行喷砂处理；所述硬基板的硬度>300HV；

2）选择颗粒直径为30～50微米的球形硬质颗粒进行预热，预热温度为300～600℃；所述硬质颗粒为2Cr13、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718中的一种或多种；

3）利用压缩空气携带预热后的硬质颗粒在硬基板表面进行喷涂；所述压缩空气的压强为1.5～3.0MPa；

4）启动激光同步加热喷涂区域，从而在硬基板表面形成硬质颗粒涂层；激光功率密度为3～5×10⁵W/cm²，波长为850～1060nm。

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