CN114657517A - 一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属防护涂层表面强化技术领域，具体为一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法。本发明采用高重频超短脉冲激光对电弧离子镀制备的金属防护涂层进行表面强化处理，在其表面形成致密的重熔强化层，实现涂层表面抛光净化、调控表面微观结构，细化晶粒等有益效果，有效提高金属涂层的表面耐磨性、抗高温氧化性能以及抗腐蚀性能。

Description

一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法
技术领域
本发明涉及金属防护涂层表面强化技术领域，具体为一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法。
技术背景
金属防护涂层，如NiCrAlY，NiCoCrAlY，NiAlHf，因其优异的抗高温氧化性能与抗腐蚀能力，广泛应用于各种高温热端部件，以及热障涂层系统中的粘结层材料。电弧离子镀作为一种在工业生产过程中广泛应用的涂层制备技术，在制备高温防护涂层方面越来越受到关注。该技术的优点主要体现在以下几个方面：第一，真空制备环境，提高涂层表面的洁净程度，防止涂层在制备过程中被污染，从而使涂层具有更强的界面结合力和更高的抗氧化性及抗腐蚀性能；其次，克服了视线效应，使电弧离子镀能够在涡轮叶片等复杂几何部件上沉积均匀的涂层；第三，所得涂层的微观结构细小均匀，有利于在高温下在涂层表面形成保护性氧化皮。但是，电弧离子镀制备的涂层表面仍然相对粗糙，其抗高温氧化以及抗腐蚀的性能有待进一步提高。
激光表面改性技术作为一种新的表面改性技术，已成功应用于涂层表面改性。在激光重熔过程中，高能量密度的激光作用于材料表面，材料表面发生重熔，重熔材料迅速凝固以形成均匀致密的微结构，以显着提高涂层的质量并延长其使用寿命。但是一般的激光强化技术，重熔强化层表层存在微裂纹，热影响区明显，重熔层与基体存在明显的间隙，涂层结合力薄弱，存在涂层表面的烧蚀等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，采用高重频超短脉冲激光对电弧离子镀制备的金属防护涂层进行表面强化处理，在其表面形成致密的重熔强化层，实现涂层表面抛光净化、调控表面微观结构，细化晶粒等有益效果，有效提高金属涂层的表面耐磨性、抗高温氧化性能以及抗腐蚀性能。
高重频超短脉冲激光技术，利用超短脉冲激光的热效应，经过严格工艺参数的调整，实现了材料表面的强化与微抛光，更重要的是，该技术不会引起材料表面的烧蚀与损耗。且无明显的热影响区，重熔层中无裂纹，实现了表面微抛光，表面净化，表面晶粒细化，调控稀土元素分布，均匀第二相，消除了原涂层表面的杂质、大颗粒、孔隙、偏析等缺陷等一系列有益效果。
一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，包括以下步骤：
步骤一：采用丙酮、酒精，去离子水依次对电弧离子镀制备的金属防护涂层进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。
步骤二：将干燥后的涂层，放在加工腔体内，通入Ar气，待加工腔体内充满Ar气后进行加工处理。
步骤三：将超短脉冲激光聚焦于待加工试样表面，并调整相关相应的激光加工参数：重复频率为10～40MHz，其脉冲宽度为10ps～200fs，光斑直径为20μm，激光波长为1030nm，激光单脉冲能量密度为0.05～1J/cm2，振镜扫描速度为10～200mm/s，加工路径为水平或正交路径，其扫描间距为5～20μm，扫描次数为1次，对金属防护涂层进行表面强化处理。
在加工涂层表面可以观察到，其厚度为3～10μm重熔强化层，表面及内部均无微裂纹，致密均匀，其热影响区控制在0～1μm，其表面粗糙度为0.5～1μm。
步骤一中，金属防护涂层为NiCrAlY，NiCoCrAlY或NiAlHf，表面粗糙度为2～5μm，其厚度在20～100μm。
步骤二中，Ar气的气体流速为10～20L/min。
本发明的优点：
1、采用高重频超短脉冲激光对金属防护涂层进行强化处理，具有3～10μm重熔强化层，重熔层无裂纹，热影响区极薄，仅为0～1μm。
2、采用高重频超短脉冲激光对金属防护涂层进行强化处理，实现金属防护涂层表面的微抛光，消除喷涂缺陷、微裂纹、大颗粒，实现表面粗糙度的大幅降低。
3、采用高重频超短脉冲激光对金属防护涂层进行强化处理，仅利用超短脉冲激光的热效应，控制表面表面温度处于熔化温度与蒸发温度之间，不会引起涂层表面的烧蚀与损耗。
4、采用高重频超短脉冲激光对金属防护涂层进行强化处理，实现了金属防护涂层的表面净化，表面晶粒细化，调控稀土元素分布，均匀第二相等有益效果，大幅提高金属防护涂层的抗高温氧化性能。
附图说明
图1为实施例1中的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层在未处理以及高重频超短脉冲激光强化后的示意图。(a)为未处理的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层表面形貌以及相对应的表面粗糙度；(b)未处理的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层的截面形貌；(c)为高重频超短脉冲激光处理后的NiCoCrAlY涂层表面形貌以及相对应的表面粗糙度；(d)为高重频超短脉冲激光处理后的NiCoCrAlY涂层的截面形貌。
图2为实施例1中的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层在未处理以及高重频超短脉冲激光强化后的在1100℃高温氧化20h的示意图。(a)为未处理的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层在1100℃高温氧化20h后的表面形貌，右上角为其局部放大图；(b)为未处理的电弧离子镀制备的NiCoCrAlY涂层在1100℃高温氧化20h后的截面形貌；(c)为高重频超短脉冲激光处理后的NiCoCrAlY涂层在1100℃高温氧化20h后的表面形貌，右上角为其局部放大图；(d)为高重频超短脉冲激光处理后的NiCoCrAlY涂层在1100℃高温氧化20h后的截面形貌。
具体实施方式
现将本发明的实施例叙述于后。
实施例1
采用丙酮、酒精，去离子水依次对电弧离子镀制备的表面初始粗糙度为3.5μm，厚度在40μm的金属防护涂层NiCoCrAlY进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的涂层，放在加工腔体内，以气流速度为20L/min通入Ar气，待加工腔体内充满Ar气后进行加工处理。将超短脉冲激光聚焦于待加工试样表面，并调整相关相应的激光加工参数：重复频率为20MHz，其脉冲宽度为250fs，光斑直径为20μm，激光波长为1030nm，激光单脉冲能量密度为0.2J/cm2，振镜扫描速度为40mm/s，加工路径为水平，其扫描间距为15μm，扫描次数为1次。在加工涂层表面可以观察到，其厚度为6μm重熔强化层，表面及内部均无微裂纹，致密均匀，其热影响区小于0.5μm，其表面粗糙度为0.9μm，如图1所示。
将加工后的试样和未加工的试样在1100℃的高温炉中进行20h的高温氧化实验。未加工的涂层局部明显出现剥落，其表面热生长氧化物的厚度为2.5μm，高重频超短脉冲激光强化后的涂层保持完整，表面氧化物更加细小均匀，其表面热生长氧化物的厚度仅为1.5μm，如图2所示。表明经过高重频超短脉冲激光强化后NiCrAlY的涂层的抗氧化性能有明显提高。
实施例2
采用丙酮、酒精，去离子水依次对电弧离子镀制备的表面初始粗糙度为5μm，厚度在50μm的金属防护涂层NiCrAlY。进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的涂层，放在加工腔体内，以气流速度为15L/min通入Ar气，待加工腔体内充满Ar气后进行加工处理。将超短脉冲激光聚焦于待加工试样表面，并调整相关相应的激光加工参数：重复频率为20MHz，其脉冲宽度为300fs，光斑直径为20μm，激光波长为1030nm，激光单脉冲能量密度为0.16J/cm2，振镜扫描速度为50mm/s，加工路径为水平，其扫描间距为20μm，扫描次数为1次。
在加工涂层表面可以观察到，其厚度为8μm重熔强化层，表面及内部均无微裂纹，致密均匀，其热影响区小于0.5μm，其表面粗糙度为1μm。
将加工后的试样和未加工的试样在1100℃的高温炉中进行20h的高温氧化实验。未加工的涂层局部明显出现剥落，其表面热生长氧化物的厚度为3.9μm，高重频超短脉冲激光强化后的涂层保持完整，表面氧化物更加细小均匀，其表面热生长氧化物的厚度仅为1.9μm。表明经过高重频超短脉冲激光强化后NiCrAlY的涂层的抗氧化性能有明显提高。
实施例3
采用丙酮、酒精，去离子水依次对电弧离子镀制备的表面初始粗糙度为3.8μm，厚度在60μm的金属防护涂层NiAlY。进行表面清洁处理，随后进行表面干燥。将干燥后的涂层，放在加工腔体内，以气流速度为18L/min通入Ar气，待加工腔体内充满Ar气后进行加工处理。将超短脉冲激光聚焦于待加工试样表面，并调整相关相应的激光加工参数：重复频率为20MHz，其脉冲宽度为1ps，光斑直径为20μm，激光波长为1030nm，激光单脉冲能量密度为0.38J/cm2，振镜扫描速度为20mm/s，加工路径为水平，其扫描间距为20μm，扫描次数为1次。
在加工涂层表面可以观察到，其厚度为7μm重熔强化层，表面及内部均无微裂纹，致密均匀，其热影响区小于0.5μm，其表面粗糙度为1.2μm。
将加工后的试样和未加工的试样在1100℃的高温炉中进行20h的高温氧化实验。未加工的涂层局部明显出现剥落，其表面热生长氧化物的厚度为2.8μm，高重频超短脉冲激光强化后的涂层保持完整，表面氧化物更加细小均匀，其表面热生长氧化物的厚度仅为1.4μm。表明经过高重频超短脉冲激光强化后NiCrAlY的涂层的抗氧化性能有明显提高。

Claims (4)

1.一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：采用丙酮、酒精，去离子水依次对电弧离子镀制备的金属防护涂层进行表面清洁处理，随后进行表面干燥；
步骤二：将干燥后的涂层，放在加工腔体内，通入Ar气，待加工腔体内充满Ar气后进行加工处理。
步骤三：将超短脉冲激光聚焦于待加工试样表面，并调整相关相应的激光加工参数：重复频率为10～40MHz，其脉冲宽度为10ps～200fs，光斑直径为20μm，激光波长为1030nm，激光单脉冲能量密度为0.05～1J/cm2，振镜扫描速度为10～200mm/s，加工路径为水平或正交路径，其扫描间距为5～20μm，扫描次数为1次，对金属防护涂层进行表面强化处理。
2.如权利要求1所述的一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，其特征在于，经表面强化处理后，金属防护涂层表面的重熔强化层的厚度为3～10μm，表面及内部均无微裂纹，致密均匀，其热影响区控制在0～1μm，其表面粗糙度为0.5～1μm。
3.如权利要求1所述的一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，其特征在于，步骤一中，金属防护涂层为NiCrAlY，NiCoCrAlY或NiAlHf，表面粗糙度为2～5μm，其厚度在20～100μm。
4.如权利要求1所述的一种基于高重频超短脉冲激光强化金属防护涂层的方法，其特征在于，步骤二中，Ar气的气体流速为10～20L/min。
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