一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，涉及材料表面【技术领域】。其主要步骤为：1)将金属材料表面进行预处理；2)按化合物涂层成分选取并配比金属或非金属粉末；3)将配比的混合粉末通过球磨进行均匀混合与机械活化；4)将机械活化的混合粉末预置于预处理的金属材料表面，并进行预压实；5)用吸收层铝箔包覆预置压实粉末的金属材料；6)以玻璃或流水为约束层，用激光冲击处理材料表面预压实粉末，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。本发明通过机械力诱导化学反应制备化合物涂层，节能环保，而且制得的化合物涂层组织细小、致密，结合强度高，显著提高材料表面性能。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。
【专利说明】一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料表面【技术领域】，特指一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法。
【背景技术】
[0002]金属材料作为重要的工程材料之一，已加工成各种金属零部件，并广泛应用于各工业领域。金属零部件在工程应用过程中通常因磨损、腐蚀、高温氧化等而发生失效，这严重限制了其应用。金属零部件的失效与其表面性能密切相关，因此，提高表面性能成为避免其发生失效，延长使用寿命的重要手段。
[0003]表面改性技术能够通过改变材料表面自身的成分和组织结构或者在材料表面制备涂层来改善材料表面性能，是延长金属零部件使用寿命的重要方法。化合物涂层因具有优异的性能得到了广泛的研究。至今，发展的化合物涂层的制备方法有很多，如热喷涂、激光熔覆、磁控溅射、热扩散等，但是，这些方法都是在高温条件下实现化合物涂层制备的，在制备过程中不可避免的氧化现象会显著影响化合物涂层的性能。冷喷涂是一种新兴涂层制备技术，其虽然可以解决高温氧化问题，但是由于金属化合物塑性低，韧性差，所以通过冷喷涂难以直接制备化合物涂层，其通常需要通过后续热处理将已喷涂涂层转化为化合物涂层，不仅也无法避免高温氧化问题，而且工序繁琐，废时耗能，成本高。因此，发展一种化合物涂层低温制备技术具有重要的工程实际意义。机械合金化表面涂覆技术是新发展的一种表面涂层的低温制备方法，研究表明，其可以制备化合物涂层，提高材料表面性能，但是该方法处理零件的尺寸受球磨罐尺寸限制，无法处理大尺寸零部件，难以制备大面积化合物涂层，而且其不适合处理结构复杂的零部件。
[0004] 针对以上问题，本发明提出一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，主要是先通过高能球磨产生的机械活化作用增加混合粉末的反应活性，降低粉末间化学反应的激活能，再通过激光冲击产生的高能冲击波激发粉末间化学反应的发生，同时细化与致密化涂层组织，形成与金属基体界面结合良好的化合物涂层，提高金属材料的表面性能。此工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在金属材料表面制备出高性能的化合物涂层，延长其使用寿命。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为解决现有方法存在的问题，提供一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，采用机械活化与激光冲击相结合的复合方法激发混合粉末发生化学反应，促进表面化合物涂层的形成，并细化与致密化涂层组织，提高界面结合，获得组织细小、致密，结合强度高的化合物涂层。
[0006]本发明解决上述问题的技术方案是:采用机械活化与激光冲击相结合的复合方法制备化合物涂层，有效提高金属材料表面性能，扩大其应用范围。具体步骤为:
A)将金属材料表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；B)按化合物涂层成分选取并配比金属或非金属粉末的混合粉末；
C)将配比的混合粉末通过球磨进行均匀混合与机械活化；
D)将均匀混合与机械活化后的混合粉末预置于预处理的金属材料表面，并进行预压
实；
E)用吸收层铝箔包覆预置压实粉末的金属材料；
F)以玻璃或流水为约束层，用激光冲击处理材料表面预压实粉末，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。
[0007]所述的金属材料为金属铝、铝合金、金属镁、镁合金、金属铜、铜合金、金属钛、钛合金、金属镍、镍合金、铸铁或钢。
[0008]所述的混合粉末为金属粉末与非金属娃粉构成的混合粉末、金属镍粉与金属钛粉构成的混合粉末、金属镍粉与金属铝粉构成的混合粉末或者金属钛粉与金属铝粉构成的混合粉末。
[0009]所述的金属粉末为金属镍粉、金属钛粉、金属铝粉、金属镁粉、金属铁粉、金属铬粉、金属钴粉、金属锰粉、金属铌粉、金属锆粉、金属钥粉或金属钒粉。
[0010]所述的非金属粉末为非金属娃粉。
[0011]所述的粉末的平均直径为20nm-100 μ m。
[0012]所述的机械活化采用氩气为保护气体。
[0013]所述的混合粉末预压实的密度为最大理论密度的40%至90%。
[0014]所述的铝箔的厚度为20 μ m-40 μ m。
[0015]所述的激光冲击参数为:激光功率密度为3GW/cm2-10GW/cm2，激光脉宽为5ns-40ns，光斑直径为 0.5mm-10mm，搭接率为 20%_80%。
[0016]本发明的优点在于:机械活化不仅能够细化粉末晶粒组织，使晶格产生变形，内能增加，缺陷增多，反应活性增大，激活能降低，而且还能使较软粉末发生塑性变形而扁平化，利于其包覆较硬粉末，增加粉末间接触面积，缩短扩散距离，增加反应动力，提高反应速率，这为激光冲击激发粉末间化学反应奠定了良好的基础。激光冲击能够产生高能冲击激活作用，激发粉末间化学反应的发生，促进表面化合物涂层的形成，同时，高压冲击力能够细化与致密化涂层组织，改善涂层性能，提高涂层与基体的界面结合；机械活化与激光冲击相结合的复合方法能够实现化合物涂层的低温制备，克服高温氧化引起的涂层性能下降问题，而且工艺过程简单，节能环保，易操作，适合于大规模批量化生产；此外，激光可控性好，加工柔性高，能够处理大面积和结构复杂零部件。
【具体实施方式】
[0017]本发明中化合物涂层是通过机械活化与激光冲击相结合的复合方法制备而成。首先将金属材料表面打磨和抛光，并清洗干净，然后选取并配比混合粉末，将其机械活化后，预置于预处理的金属材料表面，并进行预压实，最后用铝箔整体包覆预置压实粉末的金属材料，采用玻璃或流水为约 层，通过激光冲击诱导材料表面预压实粉末发生化学反应，制得表面化合物涂层。本发明通过机械力诱导化学反应实现了化合物涂层的低温制备，节能环保，而且能够细化与致密化涂层组织，改善涂层性能，提高涂层与基体的界面结合，从而显著提高材料表面性能。此工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在金属材料表面制备出高性能的化合物涂层，满足实际应用的需求。
[0018]实施例1:
1)将304不锈钢表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；
2)选取50nm金属镍粉和20nm金属钛粉，并按原子比1:1进行配比；
3)将配比的混合粉末在氩气保护下通过高能球磨机球磨进行均匀混合与机械活化；
4)将机械活化的混合粉末预置于预处理的不锈钢表面，并进行预压实，压实密度为最大理论密度的90% ；
5)用20μ m的吸收层铝箔包覆预置压实粉末的不锈钢；
6)以玻璃为约束层，用激光冲击处理不锈钢表面预压实粉末，激光功率密度为3GW/cm2，激光脉宽为5ns，光斑直径为10mm，搭接率为80%，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。
[0019]采用显微硬度计测试不锈钢表面和化合物涂层的硬度，结果表明，本发明制备的化合物涂层的硬度约为512HV，远高于不锈钢表面硬度。可见，通过本发明可以在金属材料表面制备出高性能的化合物涂层。
[0020]实施例2:
1)将金属钛表面进行 打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；
2)选取100μ m金属钛粉和30 μ m非金属硅粉，并按原子比5:3进行配比；
3)将配比的混合粉末在氩气保护下通过高能球磨机球磨进行均匀混合与机械活化；
4)将机械活化的混合粉末预置于预处理的金属钛表面，并进行预压实，压实密度为最大理论密度的40% ；
5)用40μ m的吸收层铝箔包覆预置压实粉末的金属钛；
6)以流水为约束层，用激光冲击处理金属钛表面预压实粉末，激光功率密度为6GW/cm2，激光脉宽为40ns，光斑直径为0.5mm，搭接率为50%，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。
[0021]采用显微硬度计测试金属钛表面和化合物涂层的硬度，结果表明，本发明制备的化合物涂层的硬度约为857HV，远高于金属钛表面硬度。可见，通过本发明可以在金属材料表面制备出高性能的化合物涂层。
[0022]实施例3:
1)将6061铝合金表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；
2)选取50nm金属镍粉和20μ m金属铝粉，并按原子比3:1进行配比；
3)将配比的混合粉末在氩气保护下通过高能球磨机球磨进行均匀混合与机械活化；
4)将机械活化的混合粉末预置于预处理的铝合金表面，并进行预压实，压实密度为最大理论密度的60% ；
5)用30μ m的吸收层铝箔包覆预置压实粉末的铝合金；
6)以玻璃为约束层，用激光冲击处理铝合金表面预压实粉末，激光功率密度为IOGW/cm2，激光脉宽为25ns，光斑直径为7mm，搭接率为20%，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。
[0023]采用显微硬度计测试铝合金表面和化合物涂层的硬度，结果表明，本发明制备的化合物涂层的硬度约为391HV，远高于铝合金表面硬度。可见，通过本发明可以在金属材料表面制备出高性能的化合物涂`层。
【权利要求】
1.一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，采用机械活化与激光冲击相结合的复合方法制备化合物涂层，通过机械活化增加混合粉末的反应活性，降低粉末间化学反应的激活能，再通过激光冲击产生的高能冲击波激发粉末间化学反应的发生，促进表面化合物涂层的形成，同时高压冲击力细化与致密化涂层组织，使其与金属基体界面结合良好，最终获得组织细小、致密，结合强度高的化合物涂层，提高金属材料表面性能；具体步骤为: A)将金属材料表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗； B)按化合物涂层成分选取并配比金属或非金属粉末的混合粉末； C)将配比的混合粉末通过球磨进行均匀混合与机械活化； D)将均匀混合与机械活化后的混合粉末预置于预处理的金属材料表面，并进行预压实； E)用吸收层铝箔包覆预置压实粉末的金属材料； F)以玻璃或流水为约束层，用激光冲击处理材料表面预压实粉末，诱导其发生化学反应，制得表面化合物涂层。
2.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述 步骤A)的金属材料为金属铝、铝合金、金属镁、镁合金、金属铜、铜合金、金属钛、钛合金、金属镍、镍合金、铸铁或钢。
3.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤B)的混合粉末为金属粉末与非金属硅粉构成的混合粉末、金属镍粉与金属钛粉构成的混合粉末、金属镍粉与金属铝粉构成的混合粉末或者金属钛粉与金属铝粉构成的混合粉末。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤B)的金属粉末为金属镍粉、金属钛粉、金属铝粉、金属镁粉、金属铁粉、金属铬粉、金属钴粉、金属锰粉、金属铌粉、金属锆粉、金属钥粉或金属钒粉。
5.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤B)的非金属粉末为非金属硅粉。
6.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤B)的粉末的平均直径为20nm-100 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤C)的机械活化采用氩气为保护气体。
8.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤D)的混合粉末预压实的密度为最大理论密度的40%至90%。
9.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤E)的铝箔的厚度为20 μ m-40 μ m。
10.根据权利要求1所述的一种激光冲击诱导化学反应制备化合物涂层的方法，其特征在于，所述步骤F)的激光冲击参数为:激光功率密度为3GW/cm2-10GW/cm2，激光脉宽为5ns-40ns，光斑直径为 0.5mm-10mm，搭接率为 20%_80%。
【文档编号】C23C24/08GK103726046SQ201310717894
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】崔承云, 崔熙贵, 周建忠, 许晓静, 张朝阳 申请人:江苏大学