CN113463093A - 一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法 - Google Patents

一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，通过气体压力配比方式获得一种或者多种气相，使用真空管式炉对混合气体预热提高活性，并在激光熔覆过程中发生化学气相沉积，与熔池金属发生气固化学反应原位合成强化相从而制备复合涂层。该工艺方法不仅高效、节能、低成本的技术特点，而且该方法制备的涂层：可以通过改变化学气相及工艺参数有效地控制增强相的尺寸大小、形态和分布均匀性；另外采用激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行，可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层，具有广泛的应用价值。

Description

一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置 及工艺方法
技术领域
本发明涉及复合涂层技术领域，具体是一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法。
背景技术
激光熔覆亦称激光熔敷或激光包覆，它通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层。近年来，随着粉末制备的快速发展，许多学者将纳米颗粒(Al2O3、BN、Nano-WC、TiB2、TiC、NbC、SiC、CrC、CaF2、TiN、SiC等)按照一定比例与微米级的WC颗粒混合引入到涂层中，结果表明微纳结构能够有效地提高碳化钨涂层的综合力学性能，是陶瓷增韧和弥散强化的一种有效方式。但是目前纳米颗粒主要通过外部引入的方式添加到涂层中，纳米强化颗粒造价昂贵，成本高，对制粉工艺和设备提出较高的要求；纳米强化颗粒在球磨混粉过程中容易发生团聚，熔覆过程中易于溶解，难以保留纳米尺寸；纳米强化颗粒与涂层结合的界面一般呈机械咬合，强化效果较差。为此，需要提出一种简单、高效的原位合成技术。
化学气相沉积是一种化工技术，该技术主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法,可以制备氧化物、硫化物、氮化物、碳化物，也可以制备III-V、II-IV、IV-VI族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的淀积过程精确控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置，包括实验气瓶，所述实验气瓶的上端贯通连接有混气罐，且实验气瓶分为三个容器，三个容器与混气罐之间的管道上分别设置有第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，所述第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀的一侧均设置有流量减压表，所述混气罐的上端嵌入设置有压力传感器，且混气罐的一端的管道上设置有第四电磁阀并与真空管式炉贯通连接，所述真空管式炉的另一端设置有第一支路管和第二支路管，第一支路管贯通连接送粉器后与第二快装接头连接，第一支路管与送料器之间设置有第五电磁阀，第二支路管的一端贯通连接有第一快装头，且第二支路管与第一快装头之间设置有流量阀，所述送粉器的一端连接有第二快装头，所述第一快装头和第二快装头的一侧设置有快装接头，所述快装接头的一端设置有旁轴焊接头，所述旁轴焊接头的下方设置有基材，所述基材的上表面设置有涂层，且基材的上表面靠近涂层的一侧设置有熔池，所述熔池上方设置有激光发射头。
作为本发明再进一步的方案：利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置的工艺方法，包括如下步骤：
1)化学气相配比，按照压力配比将所需化学气体充入到混气罐中；
2)打开第四电磁阀将化学气体通过真空管式炉进行预热，提高其活性；
3)将涂层粉末预置到基材上；
4)打开流量阀通入一定流量的化学气氛并选择合适工艺参数进行激光熔覆；
5)与熔池金属发生气固化学反应原位合成强化相；
6)凝固形成复合涂层。
作为本发明再进一步的方案：所述的化学气相配比，包括抽真空和充气两个步骤。
作为本发明再进一步的方案：所述的抽真空是在配气前需要将混气罐和真空管式炉进行抽真空，具体为将第一快装头插入真空泵中，同时电磁阀第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀和第五电磁阀关闭，第四电磁阀和流量阀开启进行抽真空，达到真空度后关闭第四电磁阀和流量阀。
作为本发明再进一步的方案：所述的充气是通过气体压力进行化学气体配比，压力值可通过流量减压表或压力传感器的数值获得。
作为本发明再进一步的方案：所述的气体预热是通过真空管式炉对化学气体进行预热，预热能够有效地提高气体的活性，更有利于产生活性碳原子和活性氮原子。
作为本发明再进一步的方案：所述的激光熔覆可分为同步送粉或预置，当将第二快装头插入到快装接头的管路为同步送粉；当将第一快装头插入到快装接头的管路为预置方式。
作为本发明再进一步的方案：所述第一支路管和第二支路管为保温管。
作为本发明再进一步的方案：三个容器分别为Ar气瓶、C2H2气瓶和N2或NH3气瓶。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、通过加入相应元素，然后在激光包层过程中与化学气氛发生气固反应形成增强相，该方式提供了足够的时间来匹配相位和基质金属之间的界面，因此增强相位和基质之间的粘合强度，相容性显著提高。因此，材料的力学性能也得到了相应的提高。此外，还可以通过改变化学气相及工艺参数有效地控制增强相的分布特性，例如：尺寸大小、形态和分布均匀性；
2、通过化学气相反应原位合成强化相，有效的降低了制粉成本，降低了制粉工艺难度和设备要求；
3、采用激光辅助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可在较低的温度下进行；
4、涂层的化学成分可以随气相组成的改变而变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合涂层；
5、可通过各种技术对化学反应进行气相扰动，以改善其结构；
6、可以通过各种反应形成多种金属、合金、陶瓷和化合物涂层，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1为一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置的结构示意图；
图2为一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层的工艺流程图。
图中：1、实验气瓶；2、流量减压表；3、第一电磁阀；4、混气罐；5、压力传感器；6、第二电磁阀；7、第三电磁阀；8、第四电磁阀；9、真空管式炉；10、激光发射头；12、涂层；13、第五电磁阀；14、送粉器；15、流量阀；17、第一快装接头；18、第二快装接头；19、快装接头；20、旁轴焊接头；21、熔池；22、基材。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置，包括实验气瓶1，实验气瓶1的上端贯通连接有混气罐4，且实验气瓶1分为三个容器，三个容器分别为Ar气瓶、C2H2气瓶和N2或NH3气瓶，三个容器与混气罐4之间的管道上分别设置有第一电磁阀3、第二电磁阀6和第三电磁阀7，第一电磁阀3、第二电磁阀6和第三电磁阀7的一侧均设置有流量减压表2，混气罐4的上端嵌入设置有压力传感器5，且混气罐4的一端的管道上设置有第四电磁阀8并与真空管式炉9贯通连接，真空管式炉9的另一端设置有第一支路管和第二支路管，第一支路管和第二支路管为保温管，第一支路管贯通连接送粉器14后与第二快装接头18连接，第一支路管与送料器14之间设置有第五电磁阀13，第二支路管的一端贯通连接有第一快装头17，且第二支路管与第一快装头17之间设置有流量阀15，送粉器14的一端连接有第二快装头18，第一快装头17和第二快装头18的一侧设置有快装接头19，快装接头19的一端设置有旁轴焊接头20，旁轴焊接头20的下方设置有基材22，基材22的上表面设置有涂层12，且基材22的上表面靠近涂层12的一侧设置有熔池21，熔池21上方设置有激光发射头10。
一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置的工艺方法，包括如下步骤：
1化学气相配比，按照压力配比将所需化学气体充入到混气罐4中；
2打开第四电磁阀8将化学气体通过真空管式炉进行预热，提高其活性，气体预热是通过真空管式炉9对化学气体进行预热，预热能够有效地提高气体的活性，更有利于产生活性碳原子和活性氮原子；
3将涂层粉末预置到基材22上；
4打开流量阀15通入一定流量的化学气氛并选择合适工艺参数进行激光熔覆，激光熔覆可分为同步送粉或预置，当将第二快装头18插入到快装接头19的管路为同步送粉；当将第一快装头17插入到快装接头19的管路为预置方式；
5与熔池金属发生气固化学反应原位合成强化相；
6凝固形成复合涂层。
化学气相配比，包括抽真空和充气两个步骤。
抽真空是在配气前需要将混气罐4和真空管式炉9进行抽真空，具体为将第一快装头17插入真空泵中，同时电磁阀第一电磁阀3、第二电磁阀6、第三电磁阀7和第五电磁阀13关闭，第四电磁阀8和流量阀15开启进行抽真空，达到真空度后关闭第四电磁阀8和流量阀15。
充气是通过气体压力进行化学气体配比，压力值可通过流量减压表2或压力传感器5的数值获得，需要配置乙炔与氩气压力比值为a：b的气相，首先打开乙炔气瓶和第二电磁阀6，乙炔充入混气罐4中，达到压力a后关闭第二电磁阀6，然后打开Ar气瓶和第一电磁阀3，压力值为a+b后关闭第一电磁阀3，当b＝0时，混气罐为纯乙炔气相，同理可以配置任何比例的含氮气相或碳氮气相。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置，其特征在于，包括实验气瓶(1)，所述实验气瓶(1)的上端贯通连接有混气罐(4)，且实验气瓶(1)分为三个容器，三个容器与混气罐(4)之间的管道上分别设置有第一电磁阀(3)、第二电磁阀(6)和第三电磁阀(7)，所述第一电磁阀(3)、第二电磁阀(6)和第三电磁阀(7)的一侧均设置有流量减压表(2)，所述混气罐(4)的上端嵌入设置有压力传感器(5)，且混气罐(4)的一端的管道上设置有第四电磁阀(8)并与真空管式炉(9)贯通连接，所述真空管式炉(9)的另一端设置有第一支路管和第二支路管，第一支路管贯通连接送粉器(14)后与第二快装接头(18)连接，第一支路管与送料器(14)之间设置有第五电磁阀(13)，第二支路管的一端贯通连接有第一快装头(17)，且第二支路管与第一快装头(17)之间设置有流量阀(15)，所述送粉器(14)的一端连接有第二快装头(18)，所述第一快装头(17)和第二快装头(18)的一侧设置有快装接头(19)，所述快装接头(19)的一端设置有旁轴焊接头(20)，所述旁轴焊接头(20)的下方设置有基材(22)，所述基材(22)的上表面设置有涂层(12)，且基材(22)的上表面靠近涂层(12)的一侧设置有熔池(21)，所述熔池(21)上方设置有激光发射头(10)。
2.一种制备如权利要求1所述的利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置的工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)化学气相配比，按照压力配比将所需化学气体充入到混气罐(4)中；
2)打开第四电磁阀(8)将化学气体通过真空管式炉进行预热，提高其活性；
3)将涂层粉末预置到基材(22)上；
4)打开流量阀(15)通入一定流量的化学气氛并选择合适工艺参数进行激光熔覆；
5)与熔池金属发生气固化学反应原位合成强化相；
6)凝固形成复合涂层。
3.根据权利要求2所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于，所述的化学气相配比，包括抽真空和充气两个步骤。
4.根据权利要求3所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于，所述的抽真空是在配气前需要将混气罐(4)和真空管式炉(9)进行抽真空，具体为将第一快装头(17)插入真空泵中，同时电磁阀第一电磁阀(3)、第二电磁阀(6)、第三电磁阀(7)和第五电磁阀(13)关闭，第四电磁阀(8)和流量阀(15)开启进行抽真空，达到真空度后关闭第四电磁阀(8)和流量阀(15)。
5.根据权利要求3所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于，所述的充气是通过气体压力进行化学气体配比，压力值可通过流量减压表(2)或压力传感器(5)的数值获得。
6.根据权利要求2所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于，所述的气体预热是通过真空管式炉(9)对化学气体进行预热。
7.根据权利要求2所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于，所述的激光熔覆可分为同步送粉或预置，当将第二快装头(18)插入到快装接头(19)的管路为同步送粉；当将第一快装头(17)插入到快装接头(19)的管路为预置方式。
8.根据权利要求1所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于：所述第一支路管和第二支路管为保温管。
9.根据权利要求1所述的一种利用化学气相沉积辅助激光熔覆原位合成复合涂层装置及工艺方法，其特征在于：三个容器分别为Ar气瓶、C2H2气瓶和N2或NH3气瓶。
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