基于电磁沉积-选区激光烧结技术制备复合陶瓷涂层的方法与流程

本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种基于电磁沉积-选区激光烧结技术制备复合陶瓷涂层的方法。

背景技术

tial基合金是一种新兴的金属化合物结构材料，γ-tia1合金具有许多突出特点，例如：密度低，具有高的比强度和比弹性模量，在高温时仍可以保持足够高的强度和刚度，同时它还具有良好的抗蠕变及抗氧化能力等等，这使其成为航天、航空及汽车用发动机耐热结构件极具竞争力的材料。因此，tia1合金的发展一直受到世界各国研究者的关注和重视。

tial基合金的室温延伸率通常在0.3-4％之间变化，屈服和拉伸强度则分别在250-600mpa和300-700mpa之间。早期研究的tial基合金多为铸态。通常铸态组织为粗大树枝晶，很容易产生疏松和成分偏析，因而其脆性极高，室温延性几乎为零。

虽然tial基合金有许多优点，并在技术上取得了许多重要突破，但仍有许多性能方面的问题需要解决，比如tial合金低的室温塑性及伴随而来的成形性差，对于1000℃以上使用的高温部件具有相对较低的高温强度，800℃以上的抗氧化性能不足，拉伸强度、塑性与断裂/蠕变抗力具有相反关系等，所以应用受到一定限制。

磁控溅射是物理气相沉积(physicalvapordeposition，pvd)的一种，一般的溅射法可被用于制备金属、半导体、绝缘体等多材料，且具有设备简单、易于控制、镀膜面积大和附着力强等优点，而上世纪70年代发展起来的磁控溅射法更是实现了高速、低温、低损伤。因为是在低气压下进行高速溅射，必须有效地提高气体的离化率。磁控溅射通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对带电粒子的约束来提高等离子体密度以增加溅射率。

选区激光烧结是采用红外激光器作能源，使用的造型材料多为粉末材料。加工时，首先将粉末预热到稍低于其熔点的温度，然后在刮平棍子的作用下将粉末铺平；激光束在计算机控制下根据分层截面信息进行有选择地烧结，一层完成后再进行下一层烧结，全部烧结完后去掉多余的粉末，则就可以得到一烧结好的零件。目前成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行烧结的工艺还在研究之中。

目前，利用磁控溅射沉积技术制备涂层的研究较多，很多学者采用此技术在金属基体表面制备tio2、al2o3等陶瓷涂层，此技术已经比较成熟，但是涂层与基体的结合强度大约为70mpa左右，在严酷恶劣的工况下，陶瓷涂层长时间工作后会产生裂纹，严重会发生脱落等现象，涂层工作寿命较短。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于电磁沉积-选区激光烧结技术制备复合陶瓷涂层的方法，制备具有微孔结构粘结层的陶瓷涂层，解决tial合金硬度较低、耐磨性能较差和陶瓷涂层tial基体结合强度差的问题。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于电磁沉积-选区激光烧结技术制备复合陶瓷涂层的方法，包括步骤：

(1)制备微孔金属粉末；

(2)制备陶瓷涂层粉末；

(3)采用选区激光熔化技术在基体表面制备微孔粘结层；

(4)搁置降为室温，采用电磁沉积技术在微孔粘结层表面制备陶瓷涂层。

进一步地，所述步骤(1)中，将金属空心粉末和造孔剂置于旋转式混粉设备中混合，并在腔体内充入高纯氩气防止氧化。

进一步地，所述步骤(3)中，激光烧结成型一层。选区激光熔化参数为激光功率为500w，扫描速度为0.05-0.15m/s，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，铺粉厚度0.15mm。

进一步地，所述步骤(4)中，为中频反应磁控溅射技术，工艺参数为溅射功率为5kw，脉冲偏压为-150v，占空比为50％，氮气分压强35％-45％，工作气压为0.3pa。

进一步地，所述微孔粘结层的厚度约为150μm，陶瓷涂层厚度为200μm。

进一步地，所述微孔粘结层与基体为冶金结合，陶瓷涂层与微孔粘结层为物理结合。

有益效果：本发明采用选择激光烧结技术和电磁溅射沉积技术制备具有微孔结构复合陶瓷涂层，解决传统电磁感应溅射沉积技术制备陶瓷涂层与基体结合强度较差的问题；微孔粘结层与基体为冶金结合，结合强度较高；陶瓷涂层和微孔粘结层为物理结合，但微孔粘结层对陶瓷涂层的铆接作用提高了陶瓷涂层与基体间的结合强度，同时陶瓷层提高了基体材料表面硬度和耐磨性能；三层结构保证了涂层在无裂纹等缺陷前提下，提高基体硬度，耐磨，耐腐蚀的性能，使其能够满足实际应用需要。

附图说明

图1是三层结构复合涂层结构示意图；

图2是三层结构复合涂层微观形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明利用电磁溅射沉积技术和选区激光烧结技术，制备具有微孔结构粘结层的陶瓷涂层。采用选区激光烧结技术制备微孔结构，微孔孔洞直径达到微米级；选区激光烧结制备的微孔结构对陶瓷涂层具有铆接作用，原因是在制备陶瓷涂层过程中，部分陶瓷相会渗入到微孔孔洞之间，微孔孔洞对陶瓷层会形成一定的抓力，进而提高陶瓷层与基体的结合强度。

如图1所示，本发明所述的基于电磁沉积-选区激光烧结技术制备复合陶瓷涂层的方法，包括步骤：

(1)制备微孔金属粉末，将金属空心粉末和造孔剂置于旋转式混粉设备中混合，材料为316l不锈钢粉末，颗粒形状均为球形，粒度40-60μm，造孔剂为nh4hco3粉末，316l不锈钢粉末和nh4hco3造孔剂混合比例为91：8，并在腔体内充入高纯氩气防止氧化；

(2)制备陶瓷涂层粉末，陶瓷材料为tio2纳米团聚体粉末，颗粒度为45-85μm；

(3)采用选区激光熔化技术在基体表面制备微孔粘结层，激光烧结成型一层，选区激光熔化参数为激光功率为500w，扫描速度为0.05-0.15m/s，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，铺粉厚度0.15mm；

(4)搁置降为室温，采用电磁沉积技术在微孔粘结层表面制备陶瓷涂层，形成复合涂层，三层结构，从上到下依次为陶瓷层，微孔粘结层，基体层，微孔粘结层的厚度约为150μm，陶瓷涂层厚度为200μm。微孔粘结层与基体为冶金结合，陶瓷涂层与微孔粘结层为物理结合，如图2所示的三层结构复合涂层微观形貌图。

采用的电磁沉积技术为中频反应磁控溅射技术，工艺参数为溅射功率为5kw，脉冲偏压为-150v，占空比为50％，氮气分压强35％-45％，工作气压为0.3pa。

微孔粘结层对陶瓷涂层的铆接作业增强了陶瓷层与微孔粘结层的结合强度，进而增强了陶瓷层与基体的结合强度。微孔具有松弛涂层应力的作用，降低了涂层裂纹发生的危险，同时增强了基体的硬度，耐磨性，耐腐性能，达到基体表面改性的作用。

实施例1

将316l不锈钢粉末和nh4hco3造孔剂按照91：8比例置于旋转式混粉设备中混合，设置旋转速度为130r/min，混粉时间为40min；混粉过程中为了防止氧化在腔体内充入高纯氩气，粉末混合完成后，采用选区激光熔化技术在tial基体表面制备微孔粘结层，参数为激光功率为500w，扫描速度为0.12m/s，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，铺粉厚度0.15mm，只需烧结成型一层即可，完成后，搁置30min待其温度降为室温后，将其从腔体取出。采用电磁溅射沉积技术在微孔粘结层表面制备tio2陶瓷涂层，采用的设备型号为sp-1225，具体技术为中频反应磁控溅射技术，工艺参数为溅射功率为5kw，脉冲偏压为-150v，占空比为50％，氮气分压强38％，工作气压为0.3pa，制备的涂层厚度约为200μm。经着色探伤检测，表面无裂纹等缺陷，结合强度为91.2mpa，高于传统技术。

实施例2

将316l不锈钢粉末和nh4hco3造孔剂按照91：8比例置于旋转式混粉设备中混合，设置旋转速度为130r/min，混粉时间为40min；混粉过程中为了防止氧化在腔体内充入高纯氩气，粉末混合完成后，采用选区激光熔化技术在tial基体表面制备微孔粘结层，参数为激光功率为500w，扫描速度为0.08m/s，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，铺粉厚度0.15mm，只需烧结成型一层即可，完成后，搁置30min待其温度降为室温后，将其从腔体取出。采用电磁溅射沉积技术在微孔粘结层表面制备tio2陶瓷涂层，采用的设备型号为sp-1225，具体技术为中频反应磁控溅射技术，工艺参数为溅射功率为5kw，脉冲偏压为-150v，占空比为50％，氮气分压强40％，工作气压为0.3pa，制备的涂层厚度约为200μm。经着色探伤检测，表面无裂纹等缺陷，结合强度为90.4mpa，高于传统技术。

实施例3

将316l不锈钢粉末和nh4hco3造孔剂按照91：8比例置于旋转式混粉设备中混合，设置旋转速度为130r/min，混粉时间为40min；混粉过程中为了防止氧化在腔体内充入高纯氩气，粉末混合完成后，采用选区激光熔化技术在tial基体表面制备微孔粘结层，参数为激光功率为500w，扫描速度为0.1m/s，光斑直径0.2mm，扫描间距0.1mm，铺粉厚度0.15mm，只需烧结成型一层即可，完成后，搁置30min待其温度降为室温后，将其从腔体取出。采用电磁溅射沉积技术在微孔粘结层表面制备tio2陶瓷涂层，采用的设备型号为sp-1225，具体技术为中频反应磁控溅射技术，工艺参数为溅射功率为5kw，脉冲偏压为-150v，占空比为50％，氮气分压强43％，工作气压为0.3pa，制备的涂层厚度约为200μm。经着色探伤检测，表面无裂纹等缺陷，结合强度为91.9mpa，高于传统技术。