CN1542166A - 激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法 - Google Patents

激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法 Download PDF

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Abstract

一种在金属基体材料表面进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特点是该方法包括下列步骤：对金属基体材料待处理表面进行打底；再喷涂纳米造粒陶瓷材料；涂纳米吸收激光涂料；利用高功率CO2激光在Ar气保护下扫描熔覆。利用本发明能在金属基体表面熔覆无裂纹的陶瓷涂层，具有优异的物理和化学性能。

Description

激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法
技术领域：
本发明涉及金属表面处理，特别是一种激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法。
背景技术：
激光熔覆技术是利用高能密度的激光束在基材表面形成与基材冶金结合的、且具有成分与性能不同的合金覆层，从而可在一般金属基材上制成高性能表面。在汽车、航空、航天、电站、造船、机电一体化加工中心、国防军工等制造业有重要的应用领域及发展前景。但由于激光熔覆是一个复杂的物理、化学及冶金过程，在激光快速加热和冷却以及熔化凝固过程中极易产生拉应力，会导致熔覆层中薄弱环节开裂。开裂问题已成为影响激光熔覆技术发展和产业化的最大障碍。对此各国专家学者已从激光熔覆工艺、熔覆材料成分设计，甚至预热、后热等做了大量的试验研究，取得了许多可喜的成果，但尚未取得突破性进展。其中比较典型的是激光熔覆陶瓷涂层。陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能，地球上资源十分丰富，但其脆性较大，耐疲劳性差，对应力和裂纹敏感，使其应用受到很大限制。金属表面陶瓷涂层技术拓宽了陶瓷材料的应用范围，将陶瓷材料的优异性能和金属材料的强韧性及良好的工艺性有机结合起来无疑是极具竟争力的新技术。其中激光熔覆陶瓷涂层是目前比较先进的技术，例如等离子喷涂—激光重熔陶瓷涂层能够消除等喷层的层状结构、大部分孔隙和氧化物夹杂，形成比较均匀致密的陶瓷涂层，提高了涂层的性能，但仍然难以避免裂纹和涂层的剥落，其原因：(1)陶瓷材料的耐热冲击性差，断裂韧性值低，在激光重熔过程中的急剧加热、冷却条件下易产生裂纹；(2)陶瓷材料熔点大大高于金属基体，且它们之间热膨胀系数、弹性模量和导热系数等物理参数相差很大，由此产生的热应力容易导致涂层产生裂纹或剥落；(3)陶瓷涂层与金属基体之间难以冶金结合，热导率低的陶瓷因局部加热而容易剥落；(4)金属基体的熔体与陶瓷材料熔体之间相容性较差，也易产生裂纹和孔洞；(5)熔融陶瓷粘度高、膨胀的气体不易溢出。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足和缺陷，解决金属基体表面熔覆陶瓷涂层产生裂纹的问题，提供一种激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法。
本发明的物理基础是：
研究发现：纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低很多。由于颗粒小，纳米微粒表面能高，比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大，而且纳米微粒体积远小于普通粒径材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。此外由于纳米结构材料中有大量界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳米材料的固溶扩散能力提高，无论液相还是固相，即使不相混溶，当处于纳米晶时，也会固溶，产生合金。增强的扩散能力产生的第一个结果将使纳米材料的熔凝温度大大降低，此时纳米粒子高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩达到致密化。本发明就是利用上述纳米材料的特征效应，将激光熔覆陶瓷涂层的普通粒度陶瓷材料换成纳米陶瓷材料，以突破激光熔覆陶瓷涂层开裂的瓶颈，在金属基体上制备无裂纹无孔洞的陶瓷涂层。
本发明的技术解决方案如下：
一种在金属基体材料表面进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特点在于该方法包括下列步骤：
①.对金属基体材料待处理表面进行打底；
②.再喷涂纳米造粒陶瓷材料；
③.涂纳米吸收激光涂料；
④.利用高功率CO2激光在Ar气保护下扫描熔覆。
这里需要说明的是纳米吸收激光涂料，其构成请详见发明专利申请，申请号为02136862.7，以下相同不再赘述。
所述的金属基体材料为不锈钢基体材料，对其进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法的具体步骤如下：
①.所述的打底，是在不锈钢基体待处理表面喷焊镍基自熔合金；
②.喷涂造粒的纳米碳化物陶瓷粉体(NF)WC/Co；
③.涂覆纳米吸收激光涂料；
④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，扫描速度为8～12mm/s的CO2激光，在氩气保护下，对表面进行激光熔覆WC/Co陶瓷涂层。
所述的金属基体材料为碳钢，对其进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法的具体步骤如下：
①.所述的打底，是在碳钢基体待处理表面喷焊镍基自熔合金；
②.喷涂造粒的纳米碳化物陶瓷粉体(NF)WC/Co；
③.涂覆纳米吸收激光涂料；
④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，扫描速度为8～12mm/s的CO2激光，在氩气保护下，对表面进行激光熔覆WC/Co陶瓷涂层。
所述的金属基体材料为铝合金，对其进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法的具体步骤如下：
①.所述的打底是在铝合金基体待处理表面先喷涂镍包铝；
②.喷涂造粒的纳米氧化物陶瓷粉体(NF)Al2O3/TiO2；
③.涂覆纳米吸收激光涂料；
④.采用功率密度5.03×103～6.3×103W/cm2，扫描速度为30～40mm/s的CO2激光，在Ar保护下，对表面进行激光熔覆纳米氧化物Al2O3/TiO2陶瓷涂层。
本发明的技术效果：
本发明激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，突破了激光熔覆陶瓷涂层开裂的瓶颈，因为纳米颗粒具有优异的力学性能，将导致弥散强化机制，使所产生的陶瓷涂层具有优异的强韧性，在金属基体表面制成了无裂纹的陶瓷涂层。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1.在不锈钢基体表面激光熔覆无裂纹碳化物陶瓷涂层，其具体步骤是：
①.在1Cr18Ni9不锈钢基体的待处理表面上先喷焊镍基自熔合金；②.再喷涂纳米造粒材料(NF)WC/Co；③.接着涂覆纳米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度为9.436×103W/cm2，扫描速度为8～10mm/s的CO2激光进行熔覆，激光熔覆时采用Ar气保护，无须预热和后热，即能制得无裂纹的碳化钨陶瓷(WC/Co)涂层。
实施例2.在不锈钢基体表面激光熔覆无裂纹碳化物陶瓷涂层，其具体步骤如下：
①.在1Cr18Ni9不锈钢基体的待处理表面上先喷焊镍基自熔合金；②.再喷涂纳米造粒材料(NF)WC/Co；③.接着涂覆纳米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度为1.07×104W/cm2，扫描速度为10～12mm/s的CO2激光进行熔覆，激光熔覆时采用Ar气保护，无须预热和后热，即能制得无裂纹的碳化物陶瓷(WC/Co)涂层。
实施例3.在碳钢表面激光熔覆无裂缝碳化物陶瓷涂层，其具体步骤如下：①.在45#碳钢基体的待处理表面上先喷焊镍自熔合金；②.再喷涂纳米造粒材料(NF)WC/Co；③.接着涂覆纳米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度为1.07×104W/cm2，扫描速度为10～12mm/s的CO2激光进行熔覆，激光熔覆时采用Ar气保护，无须预热和后热，即能在碳钢表面制得无裂纹的碳化物陶瓷(WC/Co)涂层。
实施例4.在铝合金基体表面激光熔覆无裂纹氧化物陶瓷涂层，其具体步骤如下：①.在ZL104铝合金基体上先喷涂镍包铝(Ni包Al)材料；②.再喷涂纳米造粒材料(NF)Al2O3/TiO2；③.接着涂上纳米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度为6.3×103W/cm2，扫描速度为35～40mm/s的CO2激光熔覆，激光熔覆时采用Ar气保护，无须预热和后热，即能在铝合金基体上制得无裂纹的氧化物陶瓷(Al2O3/TiO2)涂层。
实施例5.在铝合金基体表面激光熔覆无裂纹氧化物陶瓷涂层，其具体步骤如下：①.在ZL104铝合金基体上待处理表面先喷涂镍包铝(Ni包Al)材料；②.喷涂纳米造粒材料(NF)Al2O3/TiO2；③.接着涂上纳米吸收激光涂料；④.然后采用功率密度为5.03×103W/cm2，扫描速度为30～35mm/s的CO2激光熔覆，激光熔覆时采用Ar气保护，无须预热和后热，即能在铝合金基体上制得无裂纹的氧化物陶瓷(Al2O3/TiO2)涂层。

Claims (4)

1、一种在金属基体材料表面进行激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
①.对金属基体材料待处理表面进行打底；
②.再喷涂纳米造粒陶瓷材料；
③.涂纳米吸收激光涂料；
④.利用高功率CO2激光在Ar气保护下扫描熔覆。
2、根据权利要求1所述的激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特征在于：所述待处理的金属基体材料是不锈钢，进行抗裂处理的具体步骤如下：
①.所述的打底，是在不锈钢基体待处理表面喷焊镍基自熔合金；
②.喷涂造粒的纳米碳化物陶瓷粉体(NF)WC/Co；
③.涂覆纳米吸收激光涂料；
④.采用功率密度9.436×103～1.07×104W/cm2，扫描速度为8～12mm/s的CO2激光，在氩气保护下，对表面进行激光熔覆WC/Co陶瓷涂层。
3、根据权利要求2所述的激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特征在于：所述的待处理的金属是碳钢。
4、根据权利要求1所述的激光熔覆纳米陶瓷涂层抗裂的处理方法，其特征在于：所述的待处理的金属基体材料是铝合金，进行抗裂处理的具体步骤如下：
①.所述的打底，是在铝合金基体待处理表面先喷涂镍包铝；
②.喷涂造粒的纳米氧化物陶瓷粉体(NF)Al2O3/TiO2；
③.涂覆纳米吸收激光涂料；
④.采用功率密度5.03×103～6.3×103W/cm2，扫描速度为30～40mm/s的CO2激光，在Ar保护下，对表面进行激光熔覆Al2O3/TiO2陶瓷涂层。
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