专利名称：金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属基涂层的制备方法，特别涉及一种金属基非晶/纳米晶复合
材料层的制备方法。
二背景技术：
纳米技术是21世纪最具活力的高科技研究领域，在许多方面都具有潜在的无与 伦比的应用前景。纳米晶体表现出来的超塑性行为为陶瓷增韧和改善金属材料的强韧综合 性能提供了新的途径。纳米晶体的制备方法有很多，如超细金属粉末冷压法，机械球磨法 等，其中以超细金属粉末冷压法最为普遍，但是这种方法在工艺上存在工艺复杂，成本高， 尺寸受限等不足。近年来，产生了另外一种新方法——非晶晶化法，在适当的退火工艺条 件下得到尺寸几十纳米、颗粒均匀、弥散分布在非晶基体中的复合结构，或者完全晶化的纳 米晶体材料。目前，纳米晶的形核有两种解释一种是相分离理论，这种相分离以Spinodal 分解的方式进行；一种是基于耦合流场的均质形核理论，认为在非晶态材料中存在一定程 度的短程有序结构及有序原子集团(ordered cluster)，这种有序原子团成为非晶晶化的 核心。非晶态合金的晶化由两个过程组成单个原子由非晶态向晶坯(形核过程)或晶体 (长大过程)表面的跃迁或扩散(atomic jumping)(经典晶化机制)；有序原子集团的长大 及切变合并(形核过程)或切变沉积(长大过程)。 非晶材料自诞生以来，其高性能一直是人们关注的热点，但单相的非晶材料没有 位错，其塑性变形通过局域剪切变形来实现，虽然在剪切带内塑性应变很大，但由于剪切带 的数量有限，因而非晶合金的断裂表现为无宏观塑性变形的脆性断裂，造成灾难性失效。根 据晶体材料中位错受第二相的阻力而增殖的原理，在非晶材料中引入具有不同强度和弹性 模量的第二相，促使多剪切带的产生和滑移，是提高非晶合金塑性的一种有效的方法。目前 已成功制备内生枝晶增强块体非晶基复合材料、纳米晶增强块体非晶基复合材料、纤维增 强块体非晶基复合材料、颗粒/块体非晶复合材料等。这些非晶基复合材料的制备一般在 后续的退火过程中进行，能耗大，工艺复杂。
三
发明内容
为了解决现有技术存在的非晶基复合材料的制备方法复杂、能耗大、尺寸受限的 缺点，本发明提供一种金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，操作简单、能耗低、制 备的涂层强度好、耐腐蚀。
本发明的技术方案为一种金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法， 第一步，采用常规方法制备金属基非晶固体或者是在物体表面制备金属基非晶涂
层；比如采用常规的化学镀、超音速火焰喷涂在物件表面制备金属基非晶涂层，如在表面镀
有铬或镍非晶涂层的塑料制品，或采用快速凝固的方法制备的金属基非晶固体。 第二步，将第一步制备的金属基非晶固体或者是具有金属基非晶涂层的物件置
于水中，在室温下，超声环境中，在水中采用超声换能器使水产生16.0 30. 0KHz的振动作用于水中的金属件或者是物件表面，超声功率为100 500W，在金属件或者物件的表面 形成非晶/纳米晶复合材料层。此处使用的超声功率优选为200 450W，频率为17.0 25.0KHz。超声介质水可以为自来水或者蒸馏水。水在金属件表面的作用时间可以为15 40小时。所述的金属基非晶固体是指镍基、锆基、铁基、镁基、铝基非晶固体，金属基非晶涂 层是指镍基、锆基、铁基、镁基、铝基非晶涂层。所述的超声换能器为磁致伸縮换能器、电动 超声换能器、机械超声换能器中的任意一种。可以将非晶固体直接安装到超声换能器的端 部，或者直接放入水中，使其处于超声直接作用范围内，这样的效果会更好。
有益效果 1.金属基非晶固体或者具有金属基非晶涂层的物件如表面镀有金属基非晶涂层 的塑料制品等，经本发明的方法晶化后，在表面一定深度内，可以形成纳米晶，得到非晶/ 纳米晶复合组织，使非晶的高耐腐蚀性和纳米晶的高强度结合起来，最大限度的满足了耐 腐蚀、耐磨的性能要求。此方法中对于超声波的功率和频率的选择很关键，如果选择的过大 则涂层会剥落，选择的过小则达不到效果，无法形成足够多的纳米晶，也就无法达到所要求 的强度。 2.本发明的制备方法简便易行，设备操作简单，能耗低，且对象不受尺寸限制。
四
图1为没有经过处理的金属基非晶固体的表面电镜图。 图2为采用本发明的方法处理过后的金属基非晶固体的表面的电镜图。 由图1和图2的对比可以清楚的看出在金属件表层产生了晶化。
五具体实施方式
实施例1 : 采用化学镀的方法，在Q235钢表面制备Ni-P非晶镀层，将镀有该镀层的样品 置于超声换能器端部，自来水作为超声波的传递介质，超声波发生器功率为IOOW，频率为 30. OKHz，作用20小时，在空化气泡溃灭产生的高温和冲击波作用下，在涂层的最表层产生 了晶化，析出了附#，形成了非晶/Ni3P复合材料。
实施例2: 将锆基非晶固体置于水中，正对着超声换能器端部，距离为0. 5mm，蒸馏水作为超 声波的传递介质，超声波发生器功率为300W，频率为25. OKHz，作用28小时，XRD衍射分析 表明，在涂层的最表层产生了晶化。
实施例3: 采用超音速火焰喷涂的方法制备Fe基非晶涂层，将涂有该涂层的试样安装在超 声换能器端部，自来水作为超声波的传递介质，超声波发生器功率为350W，频率为20KHz， 作用30小时，XRD衍射分析和扫描电镜观察发现在涂层中产生了纳米晶，形成了以非晶/纳
米晶为基的复合材料层。
实施例4 : 将表面镀有镍基非晶涂层的塑料制品置于自来水中，置于超声波环境中，采用电 动超声换能器，功率为200W，频率为30KHz，作用38小时，XRD衍射分析和扫描电镜观察发现在涂层中产生了纳米晶，形成了以非晶/纳米晶为基的复合材料。
实施例5 : 将表面镀有铬基非晶涂层的金属制品置于自来水中，置于超声波环境中，采用机 械超声换能器，功率为450W，频率为15KHz，作用15小时，XRD衍射分析和扫描电镜观察发 现在涂层中产生了纳米晶，形成了以非晶/纳米晶为基的复合材料。
实施例6 : 将镁基非晶固体置于水中，正对着超声换能器端部，距离为0. 5mm，蒸馏水作为超 声波的传递介质，磁致伸縮换能器频率为19KHz，功率为400W，作用35小时，XRD衍射分析 表明，在涂层的最表层产生了晶化。
实施例7 : 将铝基非晶固体置于水中，正对着超声换能器端部，距离为0. 5mm，蒸馏水作为超 声波的传递介质，超声波发生器功率为350W，频率为25. OKHz，作用35小时，XRD衍射分析 表明，在涂层的最表层产生了晶化。
权利要求
一种金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，第一步，采用常规方法制备金属基非晶固体或者是在物体表面制备金属基非晶涂层；第二步，将第一步制备的金属基非晶固体或者是具有金属基非晶涂层的物件置于水中，在室温下，超声环境中，在水中采用超声换能器使水产生16.0～30.0KHz的振动作用于水中的金属件或者是物件表面，超声功率为100～500W，在金属件或者物件的表面形成非晶/纳米晶复合材料层。
2. 如权利要求l所述的金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，使用的超声功率为200 450W，频率为17. 0 25. OKHz。
3. 如权利要求1所述的金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，所述的水为自来水或者蒸馏水。
4. 如权利要求1所述的金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，第二步中水在金属件表面的作用时间为15 40小时。
5. 如权利要求l所述的金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，所述的金属基非晶固体是指镍基、锆基、铁基、镁基、铝基非晶固体，所述的金属基非晶涂层是指镍基、锆基、铁基、镁基、铝基非晶涂层。
6. 如权利要求l所述的金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，其特征在于，所述的超声换能器为磁致伸縮换能器、电动超声换能器、机械超声换能器中的任意一种。
全文摘要
本发明公开了一种金属基非晶/纳米晶复合材料层的制备方法，采用常规方法制备金属基非晶固体或者是在物体表面制备金属基非晶涂层；将制备的金属基非晶固体或者是具有金属基非晶涂层的物件置于水中，在室温下，超声环境中，在水中采用超声换能器使水产生16.0～30.0kHz的振动作用于水中的金属件或者是物件表面，超声功率为100～500W，在金属件或者物件的表面形成非晶/纳米晶复合材料层。非晶金属件或者具有非晶涂层的物件经本发明的方法晶化后，在表面一定深度内，形成纳米晶，得到非晶/纳米晶复合组织，使非晶的高耐腐蚀性和纳米晶的高强度结合起来，最大限度的满足了耐腐蚀、耐磨的性能要求。
文档编号C21D10/00GK101698903SQ20091023288
公开日2010年4月28日 申请日期2009年10月21日 优先权日2009年10月21日
发明者吴玉萍, 张太超, 彭竹琴 申请人:河海大学