CN113151821B - 一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，该方法具体为将相差几个数量级大小的两种非晶粉末制成核壳结构的非晶颗粒，然后通过电阻熔覆工艺将核壳结构的非晶颗粒焊接到试样表面形成非晶纳米晶涂层。通过改变大小两种非晶粉末的比例，以及焊接实验相关参数，达到调控涂层非晶纳米晶含量的目的。本发明能够解决现有技术中无法精准调控涂层非晶和纳米晶的含量的技术问题。通过改变涂层非晶纳米晶含量以达到不同环境对涂层性能的需求，而且所制备非晶纳米晶涂层紧密，操作简单易行，工作效率高，成本低，便于在相关工业领域推广应用。

Description

一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法
技术领域
本发明涉及金属表面处理技术领域，特别涉及一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法。
背景技术
非晶和纳米晶涂层具有耐腐蚀、耐气蚀、硬度高、抗磨损、可加工性强等特点，广泛应用于石油、化工、核电、汽车、矿山机械、海洋工程等领域。同时非晶及纳米晶材料作为一种新型软磁材料，凭借其优异的软磁性能在电力电子、光伏逆变、风能发电等领域也得到了到了广泛的应用。目前制备非晶和纳米晶涂层的方法通常采用激光熔覆、喷涂(热喷涂、等离子喷涂、超音速喷涂)等。
然而，以上方法制备的非晶纳米晶涂层都存在着一定的弊端，如激光熔覆得涂层非晶率低，稀释率大，严重影响非晶纳米晶的成形能力。喷涂制备的非晶纳米晶涂层，存在结合性差，孔隙率高的问题，导致非晶纳米晶性能严重受损。而且其设备昂贵，操作复杂。并且查找相关文献目前无一种可实现精准调控涂层非晶和纳米晶的含量，以求达到涂层性能最优化满足不同环境需求的方法。
发明内容
针对现有技术的不足，并基于卢柯院士的理论“非晶材料在电阻热和持续脉冲电流的作用下，可显著提高成核率并限制晶体生长，是非晶纳米晶化的有效手段”。本发明提供一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，旨在解决现有技术中无法精准调控涂层非晶和纳米晶的含量的技术问题。
为了达到上述目的，本发明通过如下技术方案来实现：
一种新型控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，包括核壳型非晶颗粒的制备，利用核壳型非晶颗粒制备出待焊工件，通过电阻熔覆技术将待焊工件制备成非晶纳米晶涂层，具体步骤如下：
(1)核壳型非晶颗粒的制备：选取适当粗细两种非晶粉末通过特定方式加工为核壳型非晶颗粒；
(2)待焊工件的制备：将核壳型非晶颗粒铺覆在试样表面，再将一层金属箔铺覆在核壳型非晶颗粒层表面，生成待焊工件；
(3)非晶纳米晶涂层的制备：通过电阻熔覆技术改变相关实验参数将核壳型非晶颗粒焊接到待焊工件表面形成非晶纳米晶涂层。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：电流将流经铺覆的核壳结构的核壳型非晶颗粒表面接触面以及与合金基体接触的邻近区域从而产生电阻热，小颗粒的非晶粉末在接触电阻热下晶化形成纳米晶，而大颗粒的非晶粉末只在表层一定范围内晶化但内部仍保持非晶态，致使核壳型非晶颗粒连续且紧密的焊接在合金基体表面，可实现精确调控涂层非晶纳米晶含量，并且通过改变涂层非晶纳米晶含量以达到不同环境对涂层性能的需求，而且所制备非晶纳米晶涂层紧密，操作简单易行，工作效率高，成本低，能够在相关工业领域推广应用。
根据上述技术方案的一方面，非晶粉末可为同种或异种的两种非晶粉末，粉末粒度为1～8000μm，其中粗粉粒度与细粉粒度至少存在2个数量级间的差别。
根据上述技术方案的一方面，非晶粉末的形状为球形或近似球形。
根据上述技术方案的一方面，核壳型非晶颗粒的加工方式为机械混合、外加磁场，加粘结剂等方式。
根据上述技术方案的一方面，待焊工件的制备是将核壳型非晶颗粒以一定厚度均匀的铺覆在合金基体表面，并在核壳型非晶颗粒层铺覆一层金属箔，整体作为待焊工件，在生成待焊工件的步骤前，方法还包括：
对合金基体表面预处理：将合金基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，去除合金基体表面的氧化膜和油污等杂质。
根据上述技术方案的一方面，对待焊工件进行电阻熔覆，并调节到适当的焊接压力、焊接速度和焊接电流以使核壳型非晶颗粒表面区域融化，从而使核壳型非晶颗粒中的两种非晶粉末、核壳型非晶颗粒与合金基体互相粘结，既在合金基体表面形成致密的非晶纳米晶涂层，在非晶纳米晶涂层的制备步骤后，方法还包括：
后处理：将非晶纳米晶涂层表面的金属箔除去。
根据上述技术方案的一方面，合金基体具有导电性与冶金特性，合金基体呈板状结构，合金基体的板宽为2～1000mm，合金基体的板厚为1～100mm。
根据上述技术方案的一方面，金属箔为铜片、不锈钢薄片，镍基薄片等高熔点金属。
根据上述技术方案的一方面，核壳型非晶颗粒的铺覆厚度为0.1～10mm。
根据上述技术方案的一方面，电阻熔覆的工作参数设置：焊接电流范围：1.0～1000A，焊接速度：0.01～0.2m/s，焊接压力：10N～100N，电极宽度：1～20mm。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法的流程示意图；
图2中，图2a为本发明制备铁基非晶纳米晶涂层的TEM亮场图，图2b为图2a中B区域的选区电子衍射(SAED)图；
以下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请结合图1与图2，本发明的一实施例提供了一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，包括核壳型非晶颗粒的制备，利用核壳型非晶颗粒制备出待焊工件，通过电阻熔覆技术将待焊工件制备成非晶纳米晶涂层，具体步骤如下：
(1)核壳型非晶颗粒的制备：选取适当粗细两种非晶粉末通过特定方式加工为核壳型非晶颗粒；
其中，非晶粉末可为同种或异种的两种非晶粉末，非晶粉末的形状为球形或近似球形，粉末粒度为1～8000μm；
粗细两种非晶粉末应当相差至少2个数量级，核壳型非晶颗粒的加工方式为机械混合、外加磁场，加粘结剂等方式。
(2)待焊工件的制备：将核壳型非晶颗粒铺覆在试样表面，再将一层金属箔铺覆在核壳型非晶颗粒层表面，生成待焊工件；
其中，核壳型非晶颗粒的铺覆厚度为0.1～10mm，金属箔为铜片或不锈钢薄片或镍基薄片等高熔点金属。
(3)非晶纳米晶涂层的制备：通过电阻熔覆技术改变相关实验参数将核壳型非晶颗粒焊接到待焊工件表面形成非晶纳米晶涂层；
具体是：打开电阻缝焊设备的电源，调节焊接压力、焊接速度和焊接电流，将步骤(3)中准备好的试样放置于电极轮下，电极轮工作转动过程中，核壳型非晶颗粒的表面区域融化，核壳型非晶颗粒中的两种非晶粉末、核壳型非晶颗粒与合金基体互相粘结，使合金基体的表面形成致密的非晶纳米晶涂层；
在电阻熔覆过程中，电阻缝焊设备的工作参数应当按照本实施例给出的参数范围进行设置，其中，焊接电流范围：1.0～1000A，焊接速度：0.01～0.2m/s，焊接压力：10N～100N，电极宽度：1～20mm。
在一些实施例当中，待焊工件的制备之前还包括：
对合金基体表面预处理：将合金基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，去除合金基体表面的氧化膜和油污等杂质，从而保证合金基体表面的洁净度。
其中，合金基体具有导电性与冶金特性，合金基体呈板状结构，合金基体的板宽为2～1000mm，合金基体的板厚为1～100mm。
而在非晶纳米晶涂层的制备步骤之后，该方法还包括：
后处理：将非晶纳米晶涂层表面的金属箔除去。
本实施例中，通过将相差2个数量级大小的两种非晶粉末通过特定混合的方式制成核壳结构的核壳型非晶颗粒，然后利用电阻熔覆技术将核壳结构的核壳型非晶颗粒焊接到合金基体表面。其中，如图2所示，小颗粒非晶粉末在接触电阻热下晶化形成纳米晶，而大颗粒的非晶粉末只在表层一定范围内晶化但内部仍保持非晶态。
通过改变大小两种非晶粉末的比例，以及焊接实验相关参数，能够达到精确调控涂层非晶纳米晶含量的目的。
本发明采用的电阻熔覆技术是通过将铺敷核壳型非晶颗粒的焊接试样置于两个电极轮间，焊接过程中通电后两电极轮放电，电流流经铺覆的核壳型非晶颗粒表面接触面以及与合金基体接触的邻近区域从而产生电阻热，使核壳型非晶颗粒与合金基体表面区域熔化，发生冶金结合，并且施压与滚动，致使核壳型非晶颗粒连续且紧密的焊接在合金基体表面。
与传统的非晶纳米晶涂层制备方法相比，该方法可实现精确调控涂层非晶纳米晶含量，且具有制备涂层紧密，操作简单易行，工作效率高，成本低的特点。便于在相关工业领域推广应用。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：包括核壳型非晶颗粒的制备，利用核壳型非晶颗粒制备出待焊工件，通过电阻熔覆技术将待焊工件制备成非晶纳米晶涂层，具体步骤如下：
(1)核壳型非晶颗粒的制备：选取适当粗细两种非晶粉末通过特定方式加工为核壳型非晶颗粒；
(2)待焊工件的制备：将核壳型非晶颗粒铺覆在试样表面，再将一层金属箔铺覆在核壳型非晶颗粒层表面，生成待焊工件；
(3)非晶纳米晶涂层的制备：通过电阻熔覆技术改变相关实验参数将核壳型非晶颗粒焊接到待焊工件表面形成非晶纳米晶涂层；
其中，非晶粉末可为同种或异种的两种非晶粉末，粉末粒度为1～8000μm，其中粗粉粒度与细粉粒度至少存在2个数量级间的差别；
所述非晶纳米晶涂层的制备具体为：打开电阻缝焊设备的电源，调节焊接压力、焊接速度和焊接电流，将步骤(2)中准备好的试样放置于电极轮下，电极轮工作转动过程中，核壳型非晶颗粒的表面区域融化，核壳型非晶颗粒中的两种非晶粉末、核壳型非晶颗粒与合金基体互相粘结，使合金基体的表面形成致密的非晶纳米晶涂层。
2.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：非晶粉末的形状为球形或近似球形。
3.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：核壳型非晶颗粒的加工方式为机械混合、外加磁场，加粘结剂的方式。
4.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：待焊工件的制备是将核壳型非晶颗粒以一定厚度均匀的铺覆在合金基体表面，并在核壳型非晶颗粒层铺覆一层金属箔，整体作为待焊工件，在生成待焊工件的步骤前，所述方法还包括：
对合金基体表面预处理：将合金基体表面用砂纸打磨，并用丙酮清洗，去除合金基体表面的氧化膜和油污杂质。
5.根据权利要求4所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：对待焊工件进行电阻熔覆，并调节到适当的焊接压力、焊接速度和焊接电流以使核壳型非晶颗粒表面区域融化，从而使核壳型非晶颗粒中的两种非晶粉末、核壳型非晶颗粒与合金基体互相粘结，既在合金基体表面形成致密的非晶纳米晶涂层，在非晶纳米晶涂层的制备步骤后，所述方法还包括：
后处理：将非晶纳米晶涂层表面的金属箔除去。
6.根据权利要求4所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：合金基体具有导电性与冶金特性，合金基体呈板状结构，合金基体的板宽为2～1000mm，合金基体的板厚为1～100mm。
7.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：金属箔为铜片或不锈钢薄片或镍基薄片。
8.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：核壳型非晶颗粒的铺覆厚度为0.1～10mm。
9.根据权利要求1所述的控制涂层非晶纳米晶含量的表面改性方法，其特征在于：电阻熔覆的工作参数设置：焊接电流范围：1.0～1000A，焊接速度：0.01～0.2m/s，焊接压力：10N～100N，电极宽度：1～20mm。
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