[發明專利]一種提高金屬表面鍍膜層結合性能的方法

無效

• 申請號: 201310473124.7
• 申請日: 2013-10-11
• 公開（公告）號: CN103498125A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發明（設計）人: 汪誠;柴艷;安志斌;薛彥慶
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍空軍工程大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/35
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 王鮮凱

技術領域

本發明涉及鍍膜技術和激光加工領域，具體涉及一種提高金屬表面鍍膜層結合性能的方法，利用高功率、短脈沖激光誘導產生等離子體沖擊波對金屬材料作用，降低金屬材料表面擴散激活能，增加擴散通道，提高膜層材料擴散效率，使膜基之間形成較強的結合。

背景技術

金屬工件表面制備一層具有特殊性能的膜層，是目前采用最多、最經濟和最有效的提高工件性能的方法。通過在工件基體表面制備一層具有優越性能的強化層，可以使工件具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化等多種工件制造材料本身不具備的性能。目前，制備膜層的手段有涂刷、磁控濺射、真空蒸鍍、離子鍍等，由于工件材料與膜層材料性能差異較大，常存在膜層與基體結合差、易脫落的問題。一般采用在膜層和基體之間加過渡層的方法提高結合性能，但是其存在工藝控制難度大、成本高等問題。本發明采用激光等離子體沖擊波對金屬材料作用，提高膜層材料擴散效率，使膜基之間形成較強的結合。

發明內容

要解決的技術問題

本發明提供一種提高金屬表面鍍膜層結合力的方法，降低金屬材料表面擴散激活能，增加擴散通道，提高膜層材料擴散效率，從而顯著提高膜層與基體之間的結合力。

技術方案

一種提高金屬表面鍍膜層結合性能的方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：將涂有吸收保護層的工件裝夾到運動系統上，采用水為約束層；

步驟2：觸發激光，將激光作用在吸收保護層上，吸收保護層吸收激光能量，并誘導產生等離子體沖擊波；所述激光的功率密度為1～6GW/cm²、激光的脈沖為ns量級；

步驟3：按照待處理區域移動工件，以激光誘導等離子沖擊波作用工件待處理區域表層材料發生高應變率動態響應，產生高密度位錯，并使晶粒細化；激光光斑間的面積搭接率為50％以上；

步驟4：采用磁控濺射、真空蒸鍍或離子鍍工藝對步驟3完成的激光沖擊進行膜層制備。

有益效果

1、本發明方法采用高功率、短脈沖激光誘導產生高壓等離子體沖擊波，作用在材料表面，利用沖擊波的力學效應對材料進行處理，在材料表層產生高密度位錯、晶粒細化，甚至產生納米晶，從而降低擴散激活能，增加擴散通道，提高擴散效率，形成穩定的結合層。

2、在高壓沖擊波的作用下，材料發生高應變率動態響應，使得材料表面位錯增多、晶粒細化甚至產生納米晶。位錯密度和晶界的增加，為后續鍍膜過程中的膜層原子擴散提供了通道，原子的擴散激活能降低，有利于元素的擴散。

具體實施方式

下面以具體實施例對本發明作詳細說明：

本發明所述實施例中，對TC4鈦合金進行激光沖擊后磁控濺射TiAlN膜層，具體工藝步驟為：

（a）設置激光波長1064nm，脈寬20ns，功率密度為1.4GW/cm²（激光能量2J，光斑形狀圓形，光斑直徑3mm），光斑搭接率60％，將貼有黑膠帶的TC4試件裝夾到運動系統上。

（b）觸發激光，激光作用在黑膠帶上，黑膠帶吸收激光能量，并誘導產生等離子體沖擊波；

（c）按照TC4試件形狀移動工件，激光誘導等離子沖擊波作用下，TC4試件表層材料發生高應變率動態響應，產生高密度位錯，并使晶粒細化。

（d）將激光沖擊后的TC4試件進行氮氣清洗，調整基體偏壓-400V、鈦靶電流80A、鋁靶電流60A，采用磁控濺射的方法在TC4試件表面鍍5μm厚的TiAlN抗沖刷層。

通過以上實例，可以看到本發明的效果是：TC4合金試樣先進行激光沖擊強化處理，再使用磁控濺射技術在沖擊表面鍍上一層厚約5μm的TiAlN層，在TC4合金的表層形成了一層組織致密、顆粒細小的TiAlN膜，表面粗糙度大大減小，在30°沖刷情況下，相同實驗條件，無激光沖擊強化的TC4鍍膜試件損耗量為36.8mg，激光強化后鍍膜的TC4試件損耗量為9.2mg，膜層抗沖刷性能得到大幅提升。