一种利用激光辅助shs工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种制备熔覆涂层的方法。
【背景技术】
[0002]碳纤维增强热塑性复合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics，简称CRTP)具有比强度和比刚度高，可设计性强，抗疲劳断裂性能好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好，便于大面积整体成形以及特殊的电磁性能等独特的优点，在航空航天、汽车等高新制造领域发挥越来越重要的作用。
[0003]CRTP材料中，虽然碳纤维耐高温，但基体树脂的熔点较低，在200?300°C开始软化，常用热塑性树脂为聚对苯二甲酸乙二醇脂、聚苯硫醚、聚醚酮和聚醚醚酮等。聚对苯二甲酸乙二醇脂的熔点为270 °C，玻璃化转变温度为69 °C ;聚苯硫醚的熔点为288 °C，玻璃化转变温度为85°C ;聚醚酮的熔点为376°C，玻璃化转变温度为165°C ;聚醚醚酮的熔点为334°C，玻璃化转变温度为145°C ;CRTP材料中软化后树脂对碳纤维的约束能力下降，造成原有编织方式被破坏，整体形貌变形，其耐热性能差。并且其低耐磨性能的缺点也制约了它的应用。
[0004]传统的方法有等离子喷涂、溅射镀膜、贴膜法等方法制备金属涂层。传统方法存在的主要问题一是现有涂层沉积速率较低，成本高，并且难以实现复杂结构表面的熔覆；二是涂层的附着力较低，除等离子喷涂外其他方法金属涂层只是在CFRP材料表面固化、贝占合，并没有发生化学反应，实现其原子间的结合。碳纤维和树脂基体热膨胀系数低于大多数金属材料，例如，C的密度为1.4?1.758*(^3，线膨胀系数为0?21(1.10 6，熔点为3600?3800°C，热导率为60?210W.m 1.K \弹性模量为20?lOOGpa ；Ti合金的密度为4.5?4.76/g.cm 3，线膨胀系数为8.4?9.9K 1.10 6，熔点为1500?1700°C，热导率为I6W11.K1，弹性模量为110?176Gpa;Ni合金的密度为8.3g.cm 3，线膨胀系数为16.3K 1.10 6，熔点为1455。。，弹性模量为206/Gpa，A1合金的密度为2.72?2.82g.cm 3，线膨胀系数为23.2K1.10 6，熔点为500?635°C，热导率为193W.m 1.K \弹性模量为72Gpa0
[0005]CFRP复合材料本身的结构特点和性能上的特殊性决定了对其表面熔覆涂层时会遇到许多问题，主要有以下几点:一、从高温到低温冷却过程中涂层易产生较大的残余应力，使其极易在热应力的作用下产生裂纹甚至是涂层与金属剥离；二、润湿性不好，大多数金属难于润湿或不能润湿CFRP复合材料；三、加热过程会放出大量的气体，严重影响涂层工艺过程的质量，导致接头中产生大量气孔；四、基体受热后，树脂在300°C左右开始玻璃化转变，软化，若时间较长，材料本身会发生严重形变；五、CFRP复合材料在空气中400°C左右开始氧化，因此熔覆时必须在真空或惰性气体保护下进行熔覆试验。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是要解决现有在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备金属涂层的方法工艺复杂，接头强度低，树脂易发生变形和成本高的问题，而提供一种利用激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法。
[0007]—种利用激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法是按以下步骤完成的:
[0008]一、碳纤维增强热塑性复合材料的前处理:使用砂纸对碳纤维增强热塑性复合材料的表面进行打磨，得到表面光滑的碳纤维增强热塑性复合材料；使用无水乙醇对表面光滑的碳纤维增强热塑性复合材料清洗3次?5次，再在室温下自然干燥，得到处理后的碳纤维增强热塑性复合材料；
[0009]二、将处理后的碳纤维增强热塑性复合材料放到行走机构上，再将熔覆粉末平铺在处理后的碳纤维增强热塑性复合材料的表面上，并将熔覆粉末压实，然后将行走机构放入到真空室中，并对真空室进行抽真空，当真空室中的真空度为5X10 3时，启动激光，激光通过真空室顶部中心处的透明玻璃照射到处理后的碳纤维增强热塑性复合材料表面上的熔覆粉末上，在激光的辐照功率为50W?100W和行走机构的移动速度为0.8m/min?1.5m/min的条件下进行辐照，得到表面形成的熔覆涂层的碳纤维增强热塑性复合材料，即完成一种利用激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法；
[0010]步骤二中所述的熔覆粉末为TC4粉末或T1-Al混合粉末。
[0011]本发明的原理及优点:
[0012]—、本发明为了在碳纤维增强热塑性复合材料表面熔覆金属，采用激光辅助SHS熔覆工艺；其是自蔓延高温合成技术(SHS)与激光熔覆技术融合产生的一种先进的在金属表面制备涂层工艺；目前还未见到采用该技术开展树脂基复合材料表面金属化的相关报道;
[0013]二、使用本发明方法，在碳纤维增强热塑性复合材料表面可以形成熔覆涂层，试验表明，熔覆粉末在碳纤维增强热塑性复合材料上润湿性良好，可以在碳纤维增强热塑性复合材料表面铺展，熔覆粉末和碳纤维增强热塑性复合材料中的树脂分解生成的C发生自蔓延反应，并且也会和碳纤维发生化学反应，使熔覆粉末向碳纤维增强热塑性复合材料间隙中渗透，并且形成良好的结合，并且通过对碳纤维和涂层的界面进行观察，可以看到碳纤维和涂层两者紧密的连接在一起；
[0014]三、使用本发明方法在碳纤维增强热塑性复合材料表面可以形成熔覆涂层，碳纤维增强热塑性复合材料与其表面上的熔覆涂层的结合强度为3MPa?4MPa ;
[0015]四、本发明解决了现有在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备金属涂层的方法工艺复杂，接头强度低，树脂易发生变形和成本高的问题，可大规模生产；
[0016]五、激光辅助SHS熔覆其显著特征是激光熔覆金属与基体材料本身能够发生SHS反应生成陶瓷涂层；本发明制备的熔覆涂层是在激光辅助作用下自蔓延高温合成，节约材料成本；在较低激光功率50W?100W下就可在碳纤维增强热塑性复合材料表面形成陶瓷涂层，节省能源2?3倍以上，降低设备成本；在CFRP复合材料表面制备熔覆涂层可综合改善其耐磨、隔热、抗高温、抗冲击等性能；
[0017]六、利用激光能量和部分熔覆金属和基体的反应化学热来使熔覆金属层熔化，节约能源和成本；
[0018]七、激光焊接技术具非接触加工，对待熔覆涂层不产生外力作用，试验过程在真空状态下，绿色环保无污染；
[0019]八、激光可以通过光学元件进行传输和变换，精度高，自动化程度和生产效率高，本发明可以实现对复杂结构件的熔覆。
[0020]本发明可获得一种利用激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法。
【附图说明】
[0021]图1为试验一中辐照过程中的操作示意图；图1中1为激光束，2为透明玻璃，3为真空室，4为熔覆粉末，5为处理后的碳纤维增强热塑性复合材料，6为行走机构；
[0022]图2为试验一步骤二得到的表面形成的TC4熔覆涂层的碳纤维增强热塑性复合材料上熔覆涂层的SEM图；
[0023]图3为试验一步骤二得到的表面形成的TC4熔覆涂层的碳纤维增强热塑性复合材料中熔覆涂层与碳纤维增强热塑性复合材料的界面SEM图；
[0024]图4为为试验一步骤二得到的表面形成的TC4熔覆涂层的碳纤维增强热塑性复合材料中熔覆涂层与碳纤维增强热塑性复合材料的界面二次电子形貌图；
[0025]图5为试验一步骤二得到的表面形成的TC4熔覆涂层的碳纤维增强热塑性复合材料中熔覆涂层与碳纤维增强热塑性复合材料的界面TEM背散射形貌图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:本实施方式是一种利用激光辅助SHS工艺在碳纤维增强热塑性复合材料表面制备熔覆涂层的方法是按以下步骤完成的:
[0027]一、碳纤维增强热塑性复合材料的前处理:使用砂纸对碳纤维增强热塑性复合材料的表面进行打磨，得到表面光滑的碳纤维增强热塑性复合材料；使用无水乙醇对表面光滑的碳纤维增强热塑性复合材料清洗3次?5次，再在室温下自然干燥，得到处理后的碳纤维增强热塑性复合材料；
[0028]二、将处理后的碳纤维增强热塑