一种固结预置碳纳米管共混金属纳米粉末的激光熔覆涂层方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固结预置碳纳米管共混金属纳米粉末的激光熔覆涂层方法，尤其是一种在零部件表面机械压制固结预置碳纳米管和金属纳米粉末自粘接混合物，激光熔融获得金属基复合材料涂层的方法，属于材料表面工程领域。
【背景技术】
[0002]激光熔覆技术是通过高功率激光束快速扫描加热涂覆粉末材料与零部件表面，形成与零部件基体具有冶金结合的涂层技术。激光熔覆涂层可有效的提高零部件的耐摩擦磨损、抗腐蚀、抗高温氧化等性能。激光熔覆涂层的涂覆粉末材料引入方式主要有两种:同步送粉法和预置法。同步送粉法是将涂覆粉末在激光束扫描过程中同步施加到零部件表面的同一区域，粉末材料和基体表面吸收激光能量熔化，形成的加热熔池连续冷却凝固后获得熔覆层。同步送粉法对粉末粒度的大小、均匀性和分散度等特性要求较高，且送粉器工作原理与机械结构的固有缺陷，难以满足混合物粉末、特别是纳米尺度混合粉末的均匀送粉要求，同时，连续送粉存在的粉末浪费问题也是方法的又一弊端。预置法则是将待熔覆的一种或数种粉末用一定方法制成所需要的形状预置于零部件基体表面，用激光束扫描预置层形成冶金结合的熔覆层。相对于同步送粉法，预置法虽然大大节省了熔覆粉末，但是，预置层的均匀性和完整性直接影响着激光熔融过程，决定了熔覆层的质量。
[0003]陈传忠等的中国发明专利“一种增强钛合金表面激光熔覆层的方法”(CN201210041114.1)，采用水玻璃溶液将微米尺度C、TiBjP Cu混合粉末调成糊状涂敷在钛合金表面风干，激光束熔覆预置层获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金表面强化涂层。张晓伟等的中国发明专利“以挤压法预置粉末进行激光熔覆得到复合涂层的方法”(CN201210097330.8)，采用有机粘接剂或者无机溶胶，将两种或两种以上单质元素或者化合物混合粉末制成膏糊，在基材表面挤压成型，激光束扫描干燥的预置层获得熔覆涂层。李新梅等的中国发明专利“一种提高铝合金激光焊接过程中熔深的方法”(CN201210395941.0)，采用等离子体喷涂铝粉与锌粉或镁粉共同形成预置层，增加激光能量吸收效率和涂层深度，提高激光熔覆涂层质量。添加各类粘结剂可以显著改善预置层的均匀性和完整性，但是，粘结剂在激光束扫描加热过程中的挥发造成了熔覆层内部空洞，影响了涂层的质量。
[0004]由于碳纳米管的表面效应和量子尺寸效应等因素导致的团聚现象，限制了碳纳米管与金属粉末的混合效果。2012年，Savalani等在Applied Surface Science发表论文，报道了采用20-30 μ m的金属Ti粉末与5-20wt.%的碳纳米管在无添加有机分散剂条件下混合预置在金属Ti基体表面，连续Nd-YAG激光扫描制备无裂纹的TiC增强Ti基复合材料涂层，涂层具有高的室温和高温耐磨性能。由于微米尺度金属Ti粉末的选用，造成碳纳米管的分散度有限，并没有充分发挥混合碳纳米管的纳米分散作用。2014年，Lin等在Journalof Applied Physics发表论文，报道了采用有机分散剂PVA分散碳纳米管与微米尺度金属Fe粉混合预置方法，旨在获得激光熔覆单根级分散的碳纳米管金属基复合材料涂层。因此，预置碳纳米管混合金属粉末的团聚现象，以及预置层的高应力状态等问题，仍然是亟待解决的激光熔覆碳纳米管金属基复合材料涂层的重要难题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的和任务是要克服固结预置碳纳米管共混金属粉末的激光熔覆涂层存在的:(一)碳纳米管与微米金属粉末的混合物出现的团聚现象；(二)机械压制固结预置后预置层的高应力状态，与零部件基体的粘接作用不足，预置层完整性差；(三)分散剂或粘结剂的添加导致熔覆涂层高气孔率和缺陷的产生。本发明提供一种在水中超声共混碳纳米管和金属纳米粉末形成自粘接纳米混合物，在零部件表面机械压制成固结预置层，经激光熔融获得表面熔覆涂层方法。
[0006]本发明采用的技术方案为:一种固结预置碳纳米管共混金属纳米粉末的激光熔覆涂层方法，所述激光熔覆涂层方法按照下述步骤进行:
[0007]第一步，通过切削加工、电火花加工或者喷丸工艺对零部件表面进行预处理，用丙酮和无水乙醇对预处理后零部件表面进行超声清洗，去除表面油污；
[0008]第二步，将碳纳米管在去离子水中进行超声分散处理，再将金属纳米粉末加入分散碳纳米管的容器中，超声分散处理碳纳米管和金属纳米粉末，在水中形成碳纳米管共混金属纳米粉末溶液；
[0009]第三步，将碳纳米管共混金属纳米粉末溶液在恒温水浴中搅拌加热，蒸发至粘糊状，将粘糊状的共混纳米粉末溶液在干燥箱内加热烘干脱水结块，再研磨碎化制成共混粉体；
[0010]第四步，将共混粉体置于与零部件仿形的模具中，在压力设备上对共混粉体进行压制成型，形成自粘接的固结预置层的零部件；
[0011]第五步，将预置有固结预置层的零部件置于激光熔覆设备中，在氮气或氩气保护气氛下进行激光扫描加热，实现零部件表面与固结预置层的冶金结合。
[0012]所述碳纳米管共混金属纳米粉末中碳纳米管的质量百分数为2% -30%，金属纳米粉末的质量百分数为98% -70%。
[0013]所述金属纳米粉末为一种或者一种以上金属粉末。
[0014]所述碳纳米管在去离子水中进行超声分散的功率为l_2kW，处理时间为3-10h，所述超声分散处理碳纳米管共混金属纳米粉末的功率为l_2kW，处理时间为3-10h。
[0015]所述碳纳米管与去离子水的质量比为lg: (2500-3000) g，所述碳纳米管共混金属纳米粉末与离子水的质量比为(3-50) g: (2500-3000) g。
[0016]所述碳纳米管共混金属纳米粉末溶液搅拌蒸发温度为75-85°C，时间为5-10h，所述粘糊状的共混纳米粉末溶液加热烘干温度为75-105°C，时间为5-10h。
[0017]所述在压力设备上对共混粉体进行压制成型，形成自粘接的固结预置层的厚度为100-450 μmD
[0018]所述在氮气或氩气保护气氛下进行激光束扫描加热，扫描速度为100-25mm/min，光斑直径为2-4mm，激光功率为500-1000W。
[0019]采用上述技术方案的指导思想是:利用碳纳米管和金属纳米粉末的自粘接作用，无分散剂和粘结剂添加，实现碳纳米管与一种或几种金属纳米粉末的均匀互混，机械压制固结预置制备均匀的纳米自粘接碳纳米管共混金属纳米粉末预置层，减少预置层的内应力，增加预置层与零部件基体的粘接作用，提高预制层的完整性，可取代固结预置碳纳米管共混金属微米粉末预置层，在零部件表面获得碳纳米管共混金属纳米粉末激光熔融涂层。
[0020]本发明的优点为:一、解决了碳纳米管与金属粉末互混存在的碳纳米管分布不均匀问题；二、利用纳米粉末的自粘接作用，减少机械压制固结预置层的高应力，增加与零部件基体的粘接作用；三、不需要有机分散剂和粘结剂，可以有效降低熔覆涂层的缺陷，避免熔融过程中杂质成分的掺入；四、机械压制固结预置层保证了碳纳米管和金属纳米粉末的利用率，降低了激光熔覆中纳米粉末的浪费。提供的一种适用于大规模生产的碳纳米管共混金属纳米粉末的激光熔覆涂层方法，工艺成本低廉，是清洁环保的表面工程技术。
【具体实施方式】
[0021]下面结合具体实施例，进一步说明本发明的细节。
[0022]实施例1:
[0023]利