专利名称：金属表面的纳米涂层工艺的制作方法
技术领域：
本发明属机械工程领域，涉及金属材料的表面强化和修复，尤其适用于形状复杂的失效尺寸较小的机械装备关键部件和易腐蚀、磨损而报废的零部件，如各轮机叶片、模具表面、各类高精度强力切削刀具的刃口的强化和修复加工等。
背景技术：
我国数十年建设所积累的数万亿元的设备，正在经历或面临改造更新，尤其是70年代以来引进的大量成套设备面临报废的问题，每年因腐蚀、磨损使设备停产、报废，所造成的损失超过千亿元。面对如此大量设备的维修、性能提升和报废回收，如何尽量减少材料和能源的浪费，减少环境污染，已经成为亟待解决的问题。
作为再制造的关键技术通常有焊接、堆焊、表面纳米复合强化、高能束强化、电化学镀、喷涂与喷熔、沉积、激光修复等。失效厚度较大时，可用普通堆焊技术对其进行修复，目前国内外这方面的研究已较成熟。而在生产实际中，失效尺寸多为0.01mm～0.2mm，易失效的精密重要部件往往对耐磨、耐蚀、疲劳等性能有较高或特殊要求，表面堆焊技术已不能适用，必须用到表面纳米技术，在失效部位表面形成纳米结构层，精确恢复尺寸并提升性能，在复杂精密件中表面纳米复合强化涂层技术尤为重要。零件表面纳米复合强化涂层的制备方法通常有高速电弧喷涂技术、纳米电刷镀技术、电化学复合镀技术、物理气相沉积技术及化学气相沉积技术等。这些技术各有优缺点，大部分是将纳米粒子机械地混合到涂层之中，存在着与基体的结合强度不够、真空条件下操作不便、涂层性能不高等问题。
发明内容本发明的目的是解决现有纳米涂层技术存在的与基体的结合强度不够、真空条件下操作不便、涂层性能不高等缺点，提供一种强化层与基体结合强度大、操作方便、涂层性能高的金属表面的纳米涂层工艺。
本发明所述的金属表面纳米涂层工艺，包括如下工艺步骤(1)清洁金属需处理区表面；(2)在清洁后的表面涂覆纳米粉末材料；(3)待涂层干燥后，根据涂层面积选择相应光斑的激光束进行熔覆处理；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；(4)激光熔覆处理后的金属自然冷却即可。
进一步，步骤(2)所述的纳米粉末材料为预置的复合纳米材料。
所述预置的复合纳米材料成分体积百分比为纳米金属颗粒10～30％，粘结剂70～90％。
所述纳米金属颗粒中的金属粒子为下列之一，或两种以两种以上的任意比例的混合物①氧化铝 ②碳化钨 ③碳化钛。
所述的纳米金属颗粒经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍或钴为包覆材料，包覆后纳米合金颗粒成分质量百分比为50-90％纳米金属，10-50％包覆材料。
所述的纳米金属颗粒中的金属粒为氧化铝、碳钨、碳化钛组成的合金。
步骤(3)所述的惰性气体为氩气或氮气。
步骤(3)所述的激光熔覆处理过程中，工件与激光束做同步逆向运动。
所述的激光熔覆处理的工艺参数如下激光输出功率2.5～4kW，激光扫描速度4～12m/min。
所述的纳米金属颗粒中的金属粒子为氧化铝，所述的纳米金属颗粒经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍为包覆材料，步骤(3)所述的惰性气体为氩气，所述的激光熔覆处理的工艺参数如下激光输出功率3kW，激光扫描速度10m/min。
采用本发明具有以下优点通过大功率高能量激光束的作用，在铁基材料的表面直接制备可控纳米结构涂层，通过激光熔覆，复合纳米颗粒(纳米Al2O3、WC、碳管等)扩散、快速冷却、弥散分布在金属表面，实现机械装备关键部件性能的提升和易腐易磨报废零部件的修复再生利用；解决了堆焊、喷涂修复的机械结合差、涂层易脱落、强化修复尺寸范围窄等问题，增强了强化层与基体的结合力，提高了金属表面硬度，高度细化了晶粒。
图1本发明激光制备纳米涂层示意2为激光熔覆镍包纳米氧化铝复合涂层的SEM图其中，(a)预置刷涂层(b)熔覆后试样表面(c)表面的胞状枝晶(d)涂层侧面图3为图2制备的激光处理层显微硬度曲线4为图2制备的激光处理层磨损对比曲线图5激光熔覆钴包纳米碳钨涂层的SEM图其中，(a)熔覆后试样表面(b)侧面熔覆区(c)侧面过渡区(d)侧面热影响区图6为图5制备的激光处理层显微硬度曲线7为图5制备的激光处理层磨损对比曲线
1-激光束 2-保护气体 3-激光作用区 4-已处理区 5-待处理区具体实施方式
实施例一参照附图1，金属表面的纳米涂层工艺包括如下步骤(1)试样预处理清洗金属试样处理部位；(2)纳米微粒配制利用化学气相沉积法制备镍包纳米氧化铝，纳米氧化铝颗粒为球型，直径50nm，表面包覆镍后颗粒直径为150nm左右。镍包氧化铝粉末中氧化铝的质量分数为30％；预置涂层向混合粉末中加入一定量的粘结剂，经充分搅拌混合均匀后制成膏状物，用毛刷涂敷于尺寸为100×50×30mm的2Cr13不锈钢试样表面。预置涂层厚度为1mm；(3)、根据涂层面积选择对应光斑的激光束1进行熔覆处理，所述激光工艺参数选择根据处理面积选择矩形光斑(10×2mm)的激光束；为防止纳米颗粒的长大，获得纳米级的表面涂层，需提高激光扫描速度，本发明实施过程中，采用自制加速装置，激光束与处理工件以相反的方向运动，以获得10m/min的速度，采用氩气2进行同步的气体保护；最后进行自然冷却即可，所制备的金属表面激光熔覆镍包纳米氧化铝复合涂层的SEM图如图2所示，激光处理层显微硬度和磨损对比实验测试结果分别如下图3和图4所示。
纳米氧化铝颗粒在复合涂层中弥散分布、粒度均匀，与(Fe，Ni)和(Fe，Cr)合金形成致密的胞状树枝晶结构。纳米颗粒增加了基质金属的成核率，细化了涂层的晶粒。与2Cr13基体相比，复合涂层的硬度提高了150～300HV，耐磨损性能提高了1.25倍。
实施例二，参照图1，金属表面的纳米涂层工艺包括如下步骤(1)试样预处理清洗金属试样处理部位1；(2)纳米微粒配制利用化学气相沉积法制备钴包纳米碳钨，纳米碳钨颗粒为球型，直径50nm，表面包覆钴后颗粒直径为150nm左右。钴包碳钨粉末中碳钨的质量分数为30％；预置涂层2向混合粉末中加入一定量的粘结剂，经充分搅拌混合均匀后制成膏状物，用毛刷涂敷于尺寸为100×50×30mm的2Cr13不锈钢试样表面。预置涂层厚度为1mm；(3)、根据涂层面积选择对应光斑的光束进行激光熔覆处理，所述激光工艺参数选择根据处理面积选择矩形光斑(10×2mm)的激光束；为防止纳米颗粒的长大，获得纳米级的表面涂层，需提高激光扫描速度，本发明实施过程中，采用自制加速装置，激光束与处理工件以相反的方向运动，以获得12m min的速度，采用氮气3进行同步的气体保护；最后进行自然冷却即可，所制备的金属表面激光熔覆钴包纳米碳钨复合涂层的SEM图如图5所示，激光处理层显微硬度和磨损对比实验测试结果分别如下图6和图7所示。
激光熔覆过程中，大部分的纳米碳钨溶解到铁液中，在凝固过程中以枝晶间固溶体和碳化物的形式析出。XRD分析表明，复合涂层由Fe、WC、W2C和Fe3C几种成分组成。涂层的表面硬度为1750HV，熔覆区平均硬度为1200HV。涂层的耐磨损性能比基体提高了2.5倍。
权利要求
1.一种金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于，所述的纳米涂层工艺包括如下工艺步骤(1)、清洁金属需处理区表面；(2)、在清洁后的表面涂覆纳米粉末材料；(3)、待涂层干燥后，根据涂层面积选择相应光斑的激光束进行熔覆处理；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；(4)、激光熔覆处理后的金属自然冷却即可。
2.如权利要求1所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于步骤(2)所述的纳米粉末材料为预置的复合纳米材料。
3.如权利要求2所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述预置的复合纳米材料成分体积百分比为纳米金属颗粒10～30％，粘结剂70～90％。
4.如权利要求3所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述纳米金属颗粒中的金属粒子为下列之一，或两种以两种以上的任意比例的混合物①氧化铝 ②碳化钨 ③碳化钛。
5.如权利要求4所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述的纳米金属颗粒经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍或钴为包覆材料，包覆后纳米合金颗粒成分质量百分比为50-90％纳米金属，10-50％包覆材料。
6.如权利要求4所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述的纳米金属颗粒中的金属粒为氧化铝、碳钨、碳化钛组成的合金。
7.如权利要求4-6之一所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于步骤(3)所述的惰性气体为氩气或氮气。
8.如权利要求7所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于步骤(3)所述的激光熔覆处理过程中，工件与激光束做同步逆向运动。
9.如权利要求8所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述的激光熔覆处理的工艺参数如下激光输出功率2.5～4kW，激光扫描速度4～12m/min。
10.如权利要求1所述的金属表面的纳米涂层工艺，其特征在于所述的纳米金属颗粒中的金属粒子为氧化铝，所述的纳米金属颗粒经过包覆处理，所述的包覆处理为用镍为包覆材料，步骤(3)所述的惰性气体为氩气，所述的激光熔覆处理的工艺参数如下激光输出功率3kW，激光扫描速度10m/min。
全文摘要
一种金属表面的纳米涂层工艺，所述的纳米涂层工艺包括如下工艺步骤(1)清洁金属需处理区表面；(2)在清洁后的表面涂覆纳米粉末材料；(3)待涂层干燥后，根据涂层面积选择相应光斑的激光束进行熔覆处理；并同时对激光熔覆处理区域进行同步的惰性气体保护；(4)激光熔覆处理后的金属自然冷却即可。本发明通过大功率高能量激光束的作用，在金属表面直接制备可控纳米结构涂层，通过激光熔覆，复合纳米颗粒、扩散、快速冷却、弥散分布在金属表面，实现机械装备关键部件性能的提升和易腐易磨报废零部件的修复再生利用。
文档编号B05C1/04GK1807685SQ200510061928
公开日2006年7月26日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者姚建华, 张群莉, 张伟 申请人:浙江工业大学, 杭州博华激光技术有限公司