[發(fā)明專利]一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110364330.5
• 申請(qǐng)日: 2011-11-17
• 公開（公告）號(hào): CN102352509A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王東生;周杏花
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 銅陵學(xué)院
• 主分類號(hào): C23C24/10
• 分類號(hào): C23C24/10
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務(wù)所 34116
• 代理人: 丁瑞瑞

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種在金屬表面制備涂層的方法，特別是一種通過多層激光熔覆的方法制備高性能厚納米陶瓷涂層的方法。

背景技術(shù)：

表面工程，是指經(jīng)表面預(yù)處理后，通過表面涂覆、表面改性或多種表面工程技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需要表面性能的系統(tǒng)工程。師昌緒、徐濱士院士總結(jié)的“20世紀(jì)是表面工程形成、興起并快速發(fā)展的世紀(jì)，21世紀(jì)將是表面工程更加成熟完善并且大顯身手的世紀(jì)”很好的闡述了表面工程這一新興領(lǐng)域的發(fā)展軌跡。

陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，但其脆性較大、耐疲勞性能差、對(duì)應(yīng)力和裂紋敏感，且難以加工，使其應(yīng)用受到了限制。金屬表面陶瓷涂層技術(shù)能有機(jī)地將基體金屬材料的強(qiáng)韌性、易加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等和表面陶瓷涂層的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足對(duì)結(jié)構(gòu)性能(強(qiáng)度、韌性等)和環(huán)境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫等)的需要，獲得相當(dāng)理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。陶瓷涂層的常用制備技術(shù)有等離子噴涂、激光熔覆、自蔓延高溫合成技術(shù)（SHS）、電子束物理氣相沉積（EB-PVD）、物理氣相沉積（PVD）以及化學(xué)氣相沉積（CVD）等。

等離子噴涂制備陶瓷涂層是把陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰，利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態(tài)，在高速等離子體焰流的引導(dǎo)下，高速撞擊工件表面。噴涂過程中，首先是噴涂材料被加熱達(dá)到熔化或半熔化狀態(tài)；然后是被氣流推動(dòng)加速向前噴射的飛行階段；最后以一定的動(dòng)能沖擊基體表面，產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無(wú)數(shù)變形粒子相互交錯(cuò)，呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結(jié)構(gòu)。涂層與基體表面的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主。顆粒與顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙或空洞，涂層孔隙率一般在8%~20%之間。等離子噴涂工藝的特點(diǎn)是對(duì)涂層材料的要求寬松，沉積率高，操作簡(jiǎn)便，制備成本低，但等離子噴涂的涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，涂層中存在較高的非平衡相和孔隙率，界面結(jié)合的主要形式是機(jī)械結(jié)合等，這些因素使等離子噴涂層難以適應(yīng)較惡劣的環(huán)境，因而限制了它的應(yīng)用范圍及使用壽命。

激光熔覆技術(shù)是新興的激光技術(shù)與歷史悠久的金屬熱處理相結(jié)合的產(chǎn)物，由于高能量密度產(chǎn)生極快的加熱速度、功率輸出精確可控和熔覆表面區(qū)域的可選擇性，激光熔覆技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，并已廣泛的應(yīng)用于表面涂層制備。激光熔覆陶瓷材料通常采用預(yù)置和送粉兩種方式引入激光熔池。其中，送粉多見同軸送粉，而常用的粉末預(yù)置方法主要有等離子噴涂法、化學(xué)粘結(jié)法以及壓片法。相對(duì)于等離子噴涂陶瓷涂層，激光熔覆制備的陶瓷涂層組織均勻致密，從而有利于保證涂層的性能及提高工件的使用壽命。但是由于受到激光功率、能量密度、激光作用區(qū)溫度場(chǎng)分布、陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)等因素的綜合影響，致使激光可熔覆的陶瓷涂層厚度有限，另外在激光熔覆陶瓷涂層過程中，由于加熱和冷卻速度很高，陶瓷材料的耐熱沖擊性差，陶瓷涂層與金屬基體的熱膨脹系數(shù)相差較大，涂層中大量氣體外逸促使體積收縮等原因，使得激光熔覆陶瓷層易產(chǎn)生裂紋和剝落等問題，因此采用激光熔覆的方法來(lái)制備高性能厚陶瓷涂層也是極其困難的。

自蔓延高溫合成（SHS）技術(shù)是20世紀(jì)60年代末發(fā)展起來(lái)的一種制備各種新材料及進(jìn)行材料復(fù)合的新技術(shù)，其基本原理是在金屬基體上預(yù)置涂層，在壓力下局部點(diǎn)火引燃化學(xué)反應(yīng)，利用放出的熱使反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，同時(shí)使基體金屬表面短時(shí)間內(nèi)達(dá)高溫熔化，涂層與基體間通過冶金結(jié)合而制得高黏結(jié)強(qiáng)度的涂層。SHS技術(shù)具有節(jié)能、工藝簡(jiǎn)單、合成效率高、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)。SHS技術(shù)制備陶瓷涂層主要有反應(yīng)熱噴涂、SHS離心鑄造涂層、SHS熔鑄涂層及反應(yīng)鑄滲涂層等。但其也有明顯的缺點(diǎn)，如產(chǎn)物易形成多孔組織、燃燒產(chǎn)物的組織具較大的離散性，因此影響到了所制備陶瓷涂層的性能。盡管SHS技術(shù)在材料的改性方面已得到了廣泛的應(yīng)用，在性能價(jià)格比方面有優(yōu)越性，但是科學(xué)工作者不滿于現(xiàn)狀仍在繼續(xù)完善SHS工藝，比如將SHS工藝與加壓相結(jié)合，可獲得更致密與基體結(jié)合更牢固的陶瓷涂層材料，以滿足于防腐、耐磨、隔熱等不同使用環(huán)境的要求。