[發明專利]一種利用激光表面處理制備高硬度Cu基非晶合金涂層的方法

有效

• 申請號: 200810239216.8
• 申請日: 2008-12-04
• 公開（公告）號: CN101423940A
• 公開（公告）日: 2009-05-06
• 發明（設計）人: 張濤;韓培培;陳冰清;逄淑杰
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C26/00
• 分類號: C23C26/00;C22C1/02;C22C45/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司
• 代理人: 成金玉;盧 紀

技術領域

本發明涉及一種非晶合金的制備方法，更特別的說，是指一種利用低功率Nd:YAG脈沖激光制備高硬度Cu-Zr-Ti非晶合金涂層的方法。

背景技術

非晶合金具有不同于晶態合金的新型的合金成分和原子構成，并兼有一般金屬和玻璃的特性，使得它在物理、化學及機械性能上表現出一系列優異的特性，如很高的耐腐蝕性、抗磨性、較好的強度和韌性、理想的磁學性能等，是一種理想的涂層材料。

隨著非晶合金制備方法及理論研究的不斷發展，非晶材料已由實驗室階段邁入了工業應用階段(如我國冶金部鋼鐵研究總院已能穩定生產100mm寬的鐵基非晶帶材)。美日等發達國家非晶合金的生產已進入大批量、商業化的階段，在某些領域的應用已逐步得到研究，如作為機械結構材料、光學精密材料、電極材料、體育用品材料、軟磁材料等。隨著科學技術和現代化工業技術的發展，人們對材料性能的要求越來越高。與晶態涂層相比，非晶涂層一般具有較高的顯微硬度，優異的耐磨性能和耐蝕性能，以及很好的催化活性和優異的詞學性能。正是由于其優異的物理和化學性能，研究和制備非晶涂層材料成為材料科學與工程領域的一個重要分支，引起了人們的廣泛關注。

常見的非晶合金涂層的制備方法主要有物理氣相沉積法(PVD)、濺射法、輝光放電、離子注入和電化學沉積法等，這些技術在一定程度上促進了非晶涂層的發展，但又存在一定的局限性。例如，物理氣相沉積法僅能得到薄的沉積膜，而且沉積速度比較慢，效率低；電化學沉積的非晶薄膜成分不易精確控制，重復性差，理論研究與工業生產之間存在差距，經驗依賴性強，并且電解廢液環境污染嚴重、處理工序復雜。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種利用激光表面處理制備高硬度Cu基非晶合金涂層的方法，該方法本發明采取的技術方案是：一種制備非晶合金涂層的方法，步驟如下：

第一步：Cu-Zr-Ti合金的制備

選擇純度為99.9％的Cu、Zr、Ti元素為原料，按原子百分比Cu_xZr_yTi_z且x+y+z＝100，其中，50≤x≤65，5≤y≤45，5≤z≤40，配料，將配好的原料放置于真空電弧爐內，抽真空度至1—5×10^-3Pa，充入壓力為0.04—0.06MPa氬氣保護氣體；調節電流200～250A，熔煉4—5遍后隨爐冷卻取出即制得均勻的Cu-Zr-Ti合金；

第二步：樣品的制備

將制備好的合金切割成15mm×10mm×2mm的樣品，用砂紙、丙酮對表面進行處理，以增加材料表面對激光的吸收率；

第三步：激光處理

將樣品放置在激光器工作臺的銅模上，調整激光器的保護氣噴嘴至與樣品表面成30°角，并且與激光光束同軸，從而防止在激光處理過程中樣品發生氧化，激光器的工藝的參數為：激光器工作電壓V為100～250V，頻率f為8～14Hz，脈沖寬度為1～3ms，激光掃描速度為400～1200mm/min，光斑尺寸1mm；通過調節激光器的工藝參數，利用激光束能量密度高，加工時間短的特點，使樣品表面與基體形成大的溫度梯度，從而達到高達10⁶～10¹¹K/s的冷卻速度，在樣品表面在樣品橫斷面出現明顯的分層結構：Cu基非晶層、過渡區和基體，形成Cu基非晶層，Cu基非晶層的厚度為120μm～230μm。

本發明與現有技術相比的優點在于：

(1)本發明通過調整激光表面處理的工藝參數(激光工作電壓、激光掃描速度、脈沖寬度等)，從而在Cu-Zr-Ti合金表面獲得了具有一定厚度、表面質量良好的非晶合金涂層，無晶化相析出，并且非晶涂層的厚度可以通過調節激光工藝參數進行控制。

(2)本發明采用低功率的Nd:YAG脈沖激光器，其額定功率為180W；工藝簡單，對于氣氛保護環境要求不高，本次工藝在大氣環境的氣氛下，利用與工作臺水平方向成30°角的噴口，對樣品進行Ar氣保護，并且該噴口與激光束同軸，從而防止在激光處理過程中樣品發生氧化。

(3)本發明工藝中的冷卻系統簡單，將樣品放置在導熱好的銅模上，利用激光束能量密度高，加工時間短的特點，使樣品表面與基體形成大的溫度梯度，從而達到高達10⁶～10¹¹K/s的冷卻速度，在樣品表面形成一定厚度的非晶層；激光表面處理后，樣品橫斷面出現明顯的分層結構：非晶層、過渡區和基體，Cu基非晶合金涂層的顯微硬度高達800Hv，過渡層的顯微硬度為945Hv，高于通過傳統非晶制備方法獲得的Cu基非晶的顯微硬度。