镁合金结构件表面复合涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了镁合金结构件表面复合涂层，包括基体结合层和表面耐磨层，所述基体结合层为氮离子注入层或氧离子注入层，所述表面耐磨层为激光熔敷SiC层、激光熔敷SiO2层或激光熔敷SiC、SiO2复合层，所述离子注入结合层与镁合金基体结合，所述表面耐磨层与离子注入结合层结合；本发明还公开了制备该复合涂层的方法，该方法首先采用离子注入技术在镁合金基体表面原位制备基体结合层，然后在基体结合层上采用激光熔敷的方法制备表面耐磨层。采用本发明方法制得的镁合金涂层与基体结合紧密，抗腐蚀和耐磨损性能优异，且表面平整致密，界面过度均匀，应变-应变梯度小，在交变载荷的作用下也不会产生破坏。
【专利说明】镁合金结构件表面复合涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于镁合金领域，涉及镁合金涂层，特别涉及一种在3D打印镁合金器件表 面制备复合涂层的方法。
【背景技术】
[0002] 镁合金综合性能优异，用途广泛，但是镁合金化学性质活泼，在潮湿环境中极易发 生腐蚀失效，另外镁合金硬度低，在摩擦过程中易产生表面磨损损伤；这导致镁合金零部件 只能在低腐蚀非运动环境使用，而无法适用于高腐蚀高磨损的工作环境。因此，如何解决镁 合金结构件表面的磨蚀和磨损失效问题成为目前工业应用中面临的关键技术难题。
[0003] 针对镁合金结构件的"腐蚀失效"问题，国内外开展了大量研究工作。激光表面处 理技术是近30年来迅速发展起来的一种表面改性技术，主要包括激光相变硬化和激光表 面合金化等方法。激光相变硬化和激光表面合金化方法可改变镁合金表面层的层组织结 构，但对其表面耐腐蚀性能的改善效果有限。针对镁合金的"磨损损伤"问题，目前普遍采用 微弧氧化和气相沉积技术在镁合金表面制备硬质合金层或者陶瓷层，这种方法虽然可以显 著提高镁合金表面的承载能力和抗磨损能力，但由于陶瓷强化层的力学性能与基体差异较 大，界面处存在应变-应变梯度，承受载荷时，基体会发生塑性变形，而硬质强化层的高摩 擦系数会在膜基界面处产生高的剪切应-应变，当界面处的塑性剪切应变高于临界值时， 将会在界面处生成裂纹或产生粘着磨损失效。
[0004] 综上所述，当前镁合金表面防护涂层多集中在单一腐蚀或磨损性能研究，从镁合 金零部件的实际工程应用角度考虑，单一表面防护涂层不能满足磨损-腐蚀交互作用下镁 合金零部件的耐磨与耐腐蚀功能需求。因此，需要发展一种镁合金结构件表面耐磨与耐蚀 功能一体化涂层制备的创新方法。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种镁合金结构件表面复合涂层。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 镁合金结构件表面复合涂层，包括基体结合层和表面耐磨层，所述基体结合层为 氮离子注入层或氧离子注入层，所述表面耐磨层为激光熔敷SiC层、激光熔敷SiO 2层或激 光熔敷SiC、SiO2复合层，所述离子注入结合层与镁合金基体结合，所述表面耐磨层与离子 注入结合层结合。
[0008] 优选的，所述氮离子注入层或氧离子注入层的厚度为10?50 μ m，所述表面耐磨 层厚度为〇· 1?2mm。
[0009] 优选的，所述镁合金基体采用3D打印方法制得。
[0010] 本发明还提供一种制备所述镁合金结构件表面复合涂层的方法，首先在镁合金基 体表面原位制备基体结合层，然后在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层，其中基体结 合层制备步骤如下： toon] 1)镁合金预处理：对镁合金表面喷砂处理并清洗干燥后备用；
[0012] 2)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术向步骤1)的镁合金注入氧离子或 氮离子，形成基体结合层。
[0013] 作为本发明制备镁合金结构件表面复合涂层方法的优选，离子注入时离子注入能 量 40 ?50Kev，注入剂量 0· 5X IO16CnT2 ?2X IO16CnT2。
[0014] 作为本发明制备镁合金结构件表面复合涂层方法的另一种优选，激光熔敷制备表 面耐磨层时所用熔敷材料为SiC粉末、SiO 2粉末或者SiC粉末与SiO2粉末的任意混合，所 述粉末粒径为10?50 μ m。
[0015] 作为本发明制备镁合金结构件表面复合涂层方法的另一种优选，激光熔敷制备表 面耐磨层时所用激光波长为300nm?10. 6 μ m。
[0016] 作为本发明制备镁合金结构件表面复合涂层方法的进一步优选，激光熔敷制备表 面耐磨层时激光器的功率为500W?1000W，扫描速度为1000mm/min?1500mm/min，光斑直 径为〇· 6謹?1謹，样品离焦量为10?6Ctam或-60?-1 Ommn
[0017] 本发明的有益效果在于：
[0018] 本发明首先采用等离子体浸没离子注入的方法向镁合金基体注入氮离子或氧离 子，得到与基体紧密结合的基体结合层，然后在基体结合层表面激光熔敷SiC层或SiO 2层 或SiC、SiO2复合层，可以同时提高镁合金的硬度、抗腐蚀和耐磨损性能；
[0019] 本发明制备镁合金结构件表面复合涂层的方法先后采用等离子体浸没离子注入 技术和激光熔敷技术对镁合金结构进行处理，被加工零件可以获得全方位离子注入，且整 个过程在较低温度下进行，被加工零件变形小，特别适合于结构复杂，精度要求高的3D打 印零件；采用本发明方法制得的镁合金涂层表面平整致密，界面过度均匀，应变-应变梯度 小，在交变载荷的作用下也不会产生破坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0021] 图1为本发明镁合金结构件表面复合涂层结构示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0023] 下述实施例将公开一种镁合金结构件表面复合涂层（如图1所示），包括基体结合 层和表面耐磨层，所述基体结合层为氮离子注入层或氧离子注入层，所述表面耐磨层为激 光熔敷SiC层、激光熔敷SiO 2层或激光熔敷SiC、SiO2复合层，所述离子注入结合层与镁合 金基体结合，所述表面耐磨层与离子注入结合层结合。
[0024] 进一步，所述氮离子注入层或氧离子注入层的厚度为10?50 μ m，所述表面耐磨 层厚度为〇· 1?2mm。
[0025] 实施例1 :
[0026] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0027] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0028] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0029] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0030] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氧 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为MgO和Al 2O3陶瓷），
[0031] 本实施例中，氧离子注入能量为40?50Kev，注入剂量I. 5 X 1016cm_2 ;
[0032] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0033] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiC粉末，其粒度大小为20?50 μ m ;
[0034] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为800W，扫描速度为1200mm/ min，光斑直径为0. 6mm，激光波长为1. 07 μ m ;
[0035] 本实施例中，SiC粉末靠近焦点进入激光,样品远离焦点,样品离焦量为±30mm。
[0036] 实施例2 :
[0037] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0038] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0039] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0040] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0041] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氧 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为MgO和Al 2O3陶瓷），
[0042] 本实施例中，氧离子注入能量为40?50Kev，注入剂量L 5 X 1016cm_2 ;
[0043] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0044] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiO2粉末，其粒度大小为15?45 μ m ;
[0045] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为700W，扫描速度为1200mm/ min，光斑直径为0. 8mm，激光波长为9. 6 μ m ;
[0046] 本实施例中，SiO2粉末靠近焦点进入激光,样品远离焦点,样品离焦量为±30mm
[0047] 实施例3
[0048] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0049] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0050] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0051] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0052] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氧 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为MgO和Al 2O3陶瓷），
[0053] 本实施例中，氧离子注入能量为40?50Kev，注入剂量2. 0 X 1016cm_2 ;
[0054] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0055] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiC粉末SiO2粉末的混合物（两者质量比 为1:1)，其粒度大小为10?50 μ m ;
[0056] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为800W，扫描速度为IlOOmm/ min，光斑直径为0· 9mm，激光波长为980nm ;
[0057] 本实施例中，SiC粉末SiO2粉末的混合物靠近焦点进入激光，样品远离焦点，样品 离焦量为± 20mm。
[0058] 实施例4 :
[0059] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0060] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0061] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0062] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0063] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氮 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为Mg 3N2和A1N)，
[0064] 本实施例中，氮离子注入能量为40?50Kev，注入剂量I. 8 X IO16CnT2 ;
[0065] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0066] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiC粉末，其粒度大小为25?50 μ m ;
[0067] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为800W，扫描速度为1200mm/ min，光斑直径为0. 6mm，激光波长为1. 07 μ m ;
[0068] 本实施例中，SiC粉末靠近焦点进入激光,样品远离焦点,样品离焦量为±40mm。
[0069] 实施例5 :
[0070] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0071] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0072] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0073] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0074] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氮 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为Mg 3N2和A1N)，
[0075] 本实施例中，氮离子注入能量为40?50Kev，注入剂量I. 8 X 1016cm_2 ;
[0076] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0077] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiO2粉末，其粒度大小为15?45 μ m ;
[0078] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为700W，扫描速度为1200mm/ min，光斑直径为0. 8mm，激光波长为9. 6 μ m ;
[0079] 本实施例中，SiC粉末靠近焦点进入激光,样品远离焦点,样品离焦量为±40mm。
[0080] 实施例6 :
[0081] 本实施例制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，包括以下步骤：
[0082] 1)镁合金预处理：对3D打印所得镁合金型材的表面喷砂处理，去除表面锈层及氧 化物，提高表面粗糙度，以增强表面与涂层的结合强度；
[0083] 本实施例所用镁合金为Mg-Al系镁合金，其主要成份为镁和铝；
[0084] 2)清洗干燥：用有机溶剂清洗步骤1)喷砂处理的镁合金并自然风干；
[0085] 3)离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术（PIII)向步骤2)的镁合金注入氮 离子，形成牢固的基体结合层（该结合层主要成份为Mg 3N2和A1N)，
[0086] 本实施例中，氮离子注入能量为40?50Kev，注入剂量2. OXlO16Cnr2 ;
[0087] 4)激光熔敷：在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层；
[0088] 本实施例中，激光熔敷所用熔敷材料为SiC粉末SiO2粉末的混合物（两者质量比 为1:1)，其粒度大小为10?50 μ m ;
[0089] 本实施例中，所用保护气体为氩气，激光器的功率为800W，扫描速度为IlOOmm/ min，光斑直径为0· 9mm，激光波长为980nm ;
[0090] 本实施例中，SiC粉末靠近焦点进入激光,样品远离焦点,样品离焦量为±20mm。
[0091] 对实施例1?6所得镁合金结构件表面复合涂层进行性能测试：
[0092] 1、按照《GB/T10125_1997eqv IS09227:1990人造气氛腐蚀试验盐雾试验》标准， 测试镁合金结构件表面复合涂层在连续喷雾中性盐雾试验（NSS试验）条件下和在25°C下 3. 5% NaCl溶液浸泡的耐蚀性，耐蚀性能测试结果如表1所示。
[0093] 表1各实施例镁合金结构件复合涂层耐蚀性测试结果
【权利要求】
1. 镁合金结构件表面复合涂层，其特征在于：包括基体结合层和表面耐磨层，所述基 体结合层为氮离子注入层或氧离子注入层，所述表面耐磨层为激光熔敷Sic层、激光熔敷 Si02层或激光熔敷SiC、Si02复合层，所述离子注入结合层与镁合金基体结合，所述表面耐 磨层与离子注入结合层结合。
2. 根据权利要求1所述镁合金结构件表面复合涂层，其特征在于：所述氮离子注入层 或氧离子注入层的厚度为10?50 μ m，所述表面耐磨层厚度为0. 1?2mm。
3. 根据权利要求1所述镁合金结构件表面复合涂层，其特征在于：所述镁合金基体采 用3D打印方法制得。
4. 制备权利要求1-3任意一项所述镁合金结构件表面复合涂层的方法，首先在镁合金 基体表面原位制备基体结合层，然后在基体结合层上激光熔敷制备表面耐磨层，其特征在 于，基体结合层制备步骤如下： 1) 镁合金预处理：对镁合金表面喷砂处理并清洗干燥后备用； 2) 离子注入：采用等离子体浸没离子注入技术向步骤1)的镁合金注入氧离子或氮离 子，形成基体结合层。
5. 根据权利要求4所述制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，其特征在于：离子注 入时离子注入能量40?50Kev，注入剂量0· 5X1016cnT2?2X1016cnT2。
6. 根据权利要求4所述制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，其特征在于：激光熔 敷制备表面耐磨层时所用熔敷材料为SiC粉末、Si0 2粉末或者SiC粉末与Si02粉末的任意 混合，所述粉末粒径为10?50 μ m。
7. 根据权利要求4所述制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，其特征在于：激光熔 敷制备表面耐磨层时所用激光波长为300nm?10. 6 μ m。
8. 根据权利要求4所述制备镁合金结构件表面复合涂层的方法，其特征在于：激光熔 敷制备表面耐磨层时激光器的功率为500W?1000W，扫描速度为1000mm/min?1500mm/ min，光斑直径为0· 6謹?1謹，样品离焦量为10?6Ctam或-60?-ICtam。
【文档编号】C23C14/48GK104228183SQ201410362919
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】王林志, 段宣明 申请人:中国科学院重庆绿色智能技术研究院