CN103469200B - 一种制备纳米表面涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备纳米表面涂层的方法，包括以下步骤：1）将自蔓延反应金属混合粉末球磨后，涂覆在金属板表面上；2）点燃涂覆在金属板表面上的金属混合粉末涂层，金属混合粉末涂层发生自蔓延反应；3）对发生自蔓延反应的金属混合粉末涂层进行喷丸处理，自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层。本发明在自蔓延反应发生后的一定时间内，对涂层进行喷丸处理，可以增加涂覆金属粉末向金属表面的扩散深度，增加涂层与基体金属的粘附力，而且通过喷丸处理，可大大提高涂层的致密度，同时喷丸处理也有表面纳米化的作用；本发明制备的涂层具有高致密性及高粘附性，并且本发明的方法设备简单，能耗低，成本低。

Description

一种制备纳米表面涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种制备纳米表面涂层的方法，特别涉及一种制备高致密性及高粘附性纳米表面涂层的方法。

背景技术

采用纳米技术对机械等关键零部件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属纳米表面涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。目前制备纳米表面涂层的方法主要外涂层法与内扩散生成法。外涂层法包括物理气相沉积、热喷涂或等离子体喷涂法、镀膜法等；内扩散生成法包括化学气相沉积、电沉积法或电镀、自组装法等。外涂层法的优点是工艺简单、易于实现，但需要解决以下问题：一是动量小无法在基体表面沉积成致密涂层，直接喷涂困难；二是在喷涂过程中必须保证纳米颗粒不发生烧结，在最终的涂层中保持纳米晶结构；三是设备较复杂，能耗较高。内扩散法可以解决涂层和界面的结合问题，且能在分子水平上控制涂层，但是对工件表面的要求较高、涂层制备速度较慢。

在表面涂层的制备过程中引入自蔓延高温合成，为材料的表面强化、提高工件的抗高温性能、耐磨性和耐蚀性提供了新途径。这一技术主要在于借助反应放热促进表面喷涂粒子和产物粒子的熔化，利用廉价反应原料，在涂层的形成过程中获得常规方法难以制备的高熔点金属间化合物材料。同时由于更多的利用反应体系中的高化学能，因而可实现低成本、高效能地制备高性能的表面涂层，可用于工业化应用。但是，由于自蔓延高温反应的特性，即使在涂覆自蔓延反应物时施加一定的外加压力，也不能确保涂层的高致密性及高粘附性。

喷丸作为一种广泛使用的材料表面冷加工方法，该方法具有实施方便、效果显著、适应面广、消费低等多种优势，其工艺范围亦从锻件的表面清理扩展到金属结构件的强化、表面加工等不同的领域。特别是当工件经过高速微粒子喷射，使表面温度急热后又急冷，可以使金属表面残余奥氏体马氏体化，组织再结晶，组织细化，表面形成高硬度且韧性好的组织，从而提高产品寿命。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种制备纳米表面涂层的方法，制备的涂层具有高致密性及高粘附性。

本发明的制备纳米表面涂层的方法，包括以下步骤：

1）将自蔓延反应金属混合粉末球磨后，涂覆在金属板表面上；

2）点燃涂覆在金属板表面上的金属混合粉末涂层，金属混合粉末涂层发生自蔓延反应；

3）对发生自蔓延反应的金属混合粉末涂层进行喷丸处理，自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层。

进一步，所述步骤1）中，涂覆的方法为涂覆干混合粉或涂覆混合粉浆料，涂覆厚度为5μm～5mm。

进一步，所述步骤2）中，点燃的方法为电阻丝点燃、激光点燃或明火点燃。

进一步，所述步骤3）中，金属混合粉末涂层发生自蔓延反应后的1s～1800s内进行喷丸处理。

进一步，所述步骤3）中，金属混合粉末涂层发生自蔓延反应后的10s～120s内优先进行喷丸处理。

进一步，所述步骤3）中，喷丸处理的角度为10～170度，喷丸速度为20m/s～150m/s，喷丸种类为不锈钢球、硬质合金球、碳钢球、镍及镍合金球或氧化锆陶瓷球，喷丸尺寸为10μm～10mm。

进一步，所述金属混合粉末为镍-铝混合粉末、钛-铝混合粉末、铁-铝混合粉末、镍-钛混合粉末、钛-碳混合粉末、钛-硼混合粉末或钼-硅混合粉末。

进一步，所述金属板为铁板、铁合金板、钢板、钛板、钛合金板、铝板、铝合金板、镁板、镁合金板、铜板、铜合金板、镍板或镍合金板。

本发明的有益效果在于：将涂覆在金属板表面的金属混合粉末点燃后，由于粉末的自蔓延反应达到足够熔化金属表面的温度，使得粉末本身与金属表面发生高温扩散反应，但是这样的扩散反应并不能在表面形成致密层。而本发明在自蔓延反应发生后的一定时间内，对涂层进行喷丸处理，可以增加涂覆金属粉末向金属表面的扩散深度，增加涂层与基体金属的粘附力，而且通过喷丸处理，可大大提高涂层的致密度，同时喷丸处理也有表面纳米化的作用；因此，本发明制备的涂层具有高致密性及高粘附性，并且本发明的方法设备简单，能耗低，成本低。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为涂覆粉末涂层的示意图；

图2为粉末涂层自蔓延反应示意图；

图3为粉末涂层发生自蔓延反应后进行喷丸处理的示意图。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

本实施例的制备纳米表面涂层的方法，包括以下步骤：

1）将自蔓延反应镍-铝混合粉末球磨6h后，涂覆在金属板（碳钢板）表面上，涂覆厚度为2mm，如图1所示；

2）用电阻丝点燃涂覆在金属板表面上的镍-铝混合粉末涂层，镍-铝混合粉末涂层发生自蔓延反应，图2所示为粉末涂层在深度方向的自蔓延反应机制，在深度反应的同时，自蔓延反应将在平面方向扩展进行；

3）镍-铝混合粉末涂层发生自蔓延反应后的30s内进行喷丸处理，如图3所示，喷丸处理的角度为90度，喷丸速度为100m/s，喷丸种类为碳钢球，喷丸尺寸为20μm；自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层。

实施例2

本实施例的制备纳米表面涂层的方法，包括以下步骤：

1）将自蔓延反应镍-钛混合粉末球磨4h后，涂覆在金属板（碳钢板）表面上，涂覆厚度为2mm，如图1所示；

2）用电阻丝点燃涂覆在金属板表面上的镍-钛混合粉末涂层，镍-钛混合粉末涂层发生自蔓延反应；

3）镍-钛混合粉末涂层发生自蔓延反应后的15s内进行喷丸处理，如图3所示，喷丸处理的角度为90度，喷丸速度为100m/s，喷丸种类为碳钢球，喷丸尺寸为20μm；自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层。

实施例3

本实施例的制备纳米表面涂层的方法，包括以下步骤：

1）将自蔓延反应钛-碳混合粉末球磨2h后，涂覆在金属板（碳钢板）表面上，涂覆厚度为2mm，如图1所示；

2）用电阻丝点燃涂覆在金属板表面上的钛-碳混合粉末涂层，钛-碳混合粉末涂层发生自蔓延反应；

3）钛-碳混合粉末涂层发生自蔓延反应后的25s内进行喷丸处理，如图3所示，喷丸处理的角度为90度，喷丸速度为100m/s，喷丸种类为碳钢球，喷丸尺寸为20μm；自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层。

本发明在金属混合粉末涂层自蔓延反应发生后的一定时间内，对涂层进行喷丸处理，增加了涂层与基体金属的粘附力，提高了涂层的致密度；本发明中，金属混合粉末为反应混合热为负的体系，如镍-铝混合粉末、钛-铝混合粉末、铁-铝混合粉末、镍-钛混合粉末、钛-碳混合粉末、钛-硼混合粉末或钼-硅混合粉末等；金属板可以为铁板、铁合金板、钢板、钛板、钛合金板、铝板、铝合金板、镁板、镁合金板、铜板、铜合金板、镍板或镍合金板等；涂覆的方法可以为涂覆干混合粉或涂覆混合粉浆料，涂覆厚度为5μm～5mm，涂覆干混合粉时可以加压或不加压，干混合粉加压压力可达到500兆帕；点燃的方法可以为电阻丝点燃、激光点燃或明火点燃等；通常在金属混合粉末涂层发生自蔓延反应后的1s～1800s内进行喷丸处理，优选10s～120s内；喷丸处理的角度为10～170度，喷丸速度为20m/s～150m/s，喷丸种类可以为不锈钢球、硬质合金球、碳钢球、镍及镍合金球或氧化锆陶瓷球等，喷丸尺寸为10μm～10mm。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (4)

1.一种制备纳米表面涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）将自蔓延反应金属混合粉末球磨后，涂覆在金属板表面上，所述金属混合粉末为镍-铝混合粉末、钛-铝混合粉末、铁-铝混合粉末、镍-钛混合粉末、钛-碳混合粉末、钛-硼混合粉末或钼-硅混合粉末；

2）点燃涂覆在金属板表面上的金属混合粉末涂层，金属混合粉末涂层发生自蔓延反应；

3）金属混合粉末涂层发生自蔓延反应后的10s~120s内优先进行喷丸处理，自蔓延反应及喷丸处理结束后，即得到纳米表面涂层；

所述步骤3）中，喷丸处理的角度为10~170度，喷丸速度为20m/s~150m/s，喷丸种类为不锈钢球、硬质合金球、镍球、镍合金球或氧化锆陶瓷球，喷丸尺寸为 10μm~10 mm。

2.根据权利要求1所述的制备纳米表面涂层的方法，其特征在于：所述步骤1）中，涂覆的方法为涂覆干混合粉或涂覆混合粉浆料，涂覆厚度为5μm~5mm。

3.根据权利要求1所述的制备纳米表面涂层的方法，其特征在于：所述步骤2）中，点燃的方法为电阻丝点燃、激光点燃或明火点燃。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的制备纳米表面涂层的方法，其特征在于：所述金属板为铁板、铁合金板、钛板、钛合金板、铝板、铝合金板、镁板、镁合金板、铜板、铜合金板、镍板或镍合金板。