一种提高金属表面镀膜层结合性能的方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高金属表面镀膜层结合力的方法，采用高功率、短脉冲激光诱导产生高压等离子体冲击波，作用在材料表面，利用冲击波的力学效应对材料进行处理，在材料表层产生高密度位错、晶粒细化，甚至产生纳米晶，从而降低扩散激活能，增加扩散通道，提高扩散效率，形成稳定的结合层。在高压冲击波的作用下，材料发生高应变率动态响应，使得材料表面位错增多、晶粒细化甚至产生纳米晶。位错密度和晶界的增加，为后续镀膜过程中的膜层原子扩散提供了通道，原子的扩散激活能降低，有利于元素的扩散。
【专利说明】一种提高金属表面镀膜层结合性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及镀膜技术和激光加工领域，具体涉及一种提高金属表面镀膜层结合性能的方法，利用高功率、短脉冲激光诱导产生等离子体冲击波对金属材料作用，降低金属材料表面扩散激活能，增加扩散通道，提高膜层材料扩散效率，使膜基之间形成较强的结合。
【背景技术】
[0002]金属工件表面制备一层具有特殊性能的膜层，是目前采用最多、最经济和最有效的提高工件性能的方法。通过在工件基体表面制备一层具有优越性能的强化层，可以使工件具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化等多种工件制造材料本身不具备的性能。目前，制备膜层的手段有涂刷、磁控溅射、真空蒸镀、离子镀等，由于工件材料与膜层材料性能差异较大，常存在膜层与基体结合差、易脱落的问题。一般采用在膜层和基体之间加过渡层的方法提高结合性能，但是其存在工艺控制难度大、成本高等问题。本发明采用激光等离子体冲击波对金属材料作用，提高膜层材料扩散效率，使膜基之间形成较强的结合。
【发明内容】
[0003]要解决的技术问题
[0004]本发明提供一种提高金属表面镀膜层结合力的方法，降低金属材料表面扩散激活能，增加扩散通道，提高膜层材料扩散效率，从而显著提高膜层与基体之间的结合力。
[0005]技术方案
[0006]一种提高金属表面镀膜层结合性能的方法，其特征在于步骤如下:
[0007]步骤1:将涂有吸收保护层的工件装夹到运动系统上，采用水为约束层；
[0008]步骤2:触发激光，将激光作用在吸收保护层上，吸收保护层吸收激光能量，并诱导产生等离子体冲击波；所述激光的功率密度为I~6GW/cm2、激光的脉冲为ns量级；
[0009]步骤3:按照待处理区域移动工件，以激光诱导等离子冲击波作用工件待处理区域表层材料发生高应变率动态响应，产生高密度位错，并使晶粒细化；激光光斑间的面积搭接率为50%以上；
[0010]步骤4:采用磁控溅射、真空蒸镀或离子镀工艺对步骤3完成的激光冲击进行膜层制备。
[0011]有益效果
[0012]1、本发明方法采用高功率、短脉冲激光诱导产生高压等离子体冲击波，作用在材料表面，利用冲击波的力学效应对材料进行处理，在材料表层产生高密度位错、晶粒细化，甚至产生纳米晶，从而降低扩散激活能，增加扩散通道，提高扩散效率，形成稳定的结合层。
[0013]2、在高压冲击波的作用下，材料发生高应变率动态响应，使得材料表面位错增多、晶粒细化甚至产生纳米晶。位错密度和晶界的增加，为后续镀膜过程中的膜层原子扩散提供了通道，原子的扩散激活能降低，有利于元素的扩散。【具体实施方式】
[0014]下面以具体实施例对本发明作详细说明:
[0015]本发明所述实施例中，对TC4钛合金进行激光冲击后磁控溅射TiAlN膜层，具体工艺步骤为:
[0016](a)设置激光波长1064nm，脉宽20ns，功率密度为1.4Gff/cm2 (激光能量2J，光斑形状圆形，光斑直径3mm)，光斑搭接率60%，将贴有黑胶带的TC4试件装夹到运动系统上。
[0017](b)触发激光，激光作用在黑胶带上，黑胶带吸收激光能量，并诱导产生等离子体冲击波；
[0018](c)按照TC4试件形状移动工件，激光诱导等离子冲击波作用下，TC4试件表层材料发生高应变率动态响应，产生高密度位错，并使晶粒细化。
[0019](d)将激光冲击后的TC4试件进行氮气清洗，调整基体偏压-400V、钛靶电流80A、铝靶电流60A，采用磁控溅射的方法在TC4试件表面镀5 μ m厚的TiAlN抗冲刷层。
[0020]通过以上实例，可以看到本发明的效果是:TC4合金试样先进行激光冲击强化处理，再使用磁控溅射技术在冲击表面镀上一层厚约5 μ m的TiAlN层，在TC4合金的表层形成了一层组织致密、颗粒细小的TiAlN膜，表面粗糙度大大减小，在30°冲刷情况下，相同实验条件，无激光冲击强化的TC4镀膜试件损耗量为36.8mg,激光强化后镀膜的TC4试件损耗量为9.2mg，膜层抗冲刷性能得到大 幅提升。
【权利要求】
1.一种提高金属表面镀膜层结合性能的方法，其特征在于步骤如下: 步骤1:将涂有吸收保护层的工件装夹到运动系统上，采用水为约束层； 步骤2:触发激光，将激光作用在吸收保护层上，吸收保护层吸收激光能量，并诱导产生等离子体冲击波；所述激光的功率密度为I~6GW/cm2、激光的脉冲为ns量级； 步骤3:按照待处理区域移动工件，以激光诱导等离子冲击波作用工件待处理区域表层材料发生高应变率动态响应，产生高密度位错，并使晶粒细化；激光光斑间的面积搭接率为50%以上； 步骤4:采用磁控溅射、真空蒸镀或离子镀工艺对步骤3完成的激光冲击进行膜层制备。
【文档编号】C23C14/02GK103498125SQ201310473124
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年10月11日 优先权日:2013年10月11日
【发明者】汪诚, 柴艳, 安志斌, 薛彦庆 申请人:中国人民解放军空军工程大学