[發明專利]基于激光熔覆與脈沖電子束輻照的非晶涂層制備方法

在審

• 申請號: 202110269897.8
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113088959A
• 公開（公告）日: 2021-07-09
• 發明（設計）人: 李玉新;劉思遠;陳博文;白培康;趙占勇;關慶豐;蔡杰
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C23F4/00;C22F3/00;C22C45/10
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開了一種基于激光熔覆與脈沖電子束輻照的非晶涂層制備方法。本發明首先在基體表面通過激光熔覆技術制備ZrNiAlCu涂層，再使用脈沖電子束HCPEB輻照對涂層表面進行凈化處理。該方法利用HCPEB輻照處理的能量集中、高效率、易控制等特點，提高合金涂層的非晶含量。實現激光熔覆涂層的表層致密化和熔覆合金均勻化，從而提高其耐磨防腐蝕性能。本發明能進一步實現熔覆層表層晶粒超細化甚至納米級細化，進而提高熔覆層耐磨防腐蝕性能。

技術領域

本發明涉及一種激光熔覆涂層的強流脈沖電子束輻照改性方法，具體地說是一種基于激光熔覆與脈沖電子束輻照的非晶涂層制備方法，屬于合金表面處理領域。

背景技術

鋯合金是鋯或其他金屬的固溶體。鋯具有非常低的熱中子吸收截面，高硬度，延展性和耐腐蝕性，主要用途是核技術領域，例如核反應堆內的燃料棒等。鋯合金就其強度、耐磨性和抗蝕性能來說，都不能滿足核燃料包殼和壓力管的要求。鋯在易吸收氫、氮和氧氣；鋯對氧的親和力很強，極易與氧發生反應。

近年來，國內外研究者們利用激光快熱快冷的特點，在金屬材料表面制備具有優異性能的非晶涂層方面取得了一些成果和進展。激光表面熔覆技術是指利用高能量密度的激光束對熔覆材料進行加熱、熔化，并快速凝固后形成低稀釋率并與基體之間成良好冶金結合的表面涂層技術，所制備的涂層能夠顯著改善基體材料表面耐磨性、耐蝕性、高溫抗氧化性等。激光熔覆技術存在熔覆層質量高、材料選擇范圍廣、工藝參數可調整范圍大、自動化程度高等特點，在工業生產中得到廣泛應用，尤其在小尺寸和形狀復雜的涂層制備及葉片修復方面具有潛在的優勢。但是，激光熔覆還存在一些缺點：①激光熔覆層的冶金質量。熔覆層合金與基材材料的熔點差異過大時，熔覆合金與基材形成不了良好的冶金結合。熔覆層合金熔點過高，熔覆層熔化小，表面光潔度下降，且基材表層過燒嚴重污染覆層；反之，涂層過燒，合金元素蒸發，收縮率增加，破壞了覆層的組織與性能。同時基材難熔，界面張力增大，涂層與基材間難免產生孔洞和夾雜。在激光熔覆過程中，在滿足冶金結合時，應盡可能地減少稀釋率，研究表明，對于不同的基材材料與搜層合金化時所能得到的最低稀釋率并不相同，一般認為，稀釋率保持在5%以下為宜。②氣孔。它產生的原因主要是，涂層粉末在激光熔覆前氧化、受潮或有的元素在高溫下發生氧化反應，在熔覆過程中就會產生氣體。再者激光處理是一個快速熔化和凝固過程，產生的氣體如果來不及排出，就會在涂層中形成氣孔。③激光熔覆過程中成分及組織不均勻。在激光熔覆過程中往往會產生成分不均勻，即所謂成分偏析以及由此帶來的組織不均勻。產生成分偏析的原因很多。首先，在激光熔覆加熱時，其加熱速度極快從而會帶來從基材到熔覆層方向上的極大的溫度梯度。其次，是由于熔池的對流而帶來的成分偏析。另外，由于合金的性質，如黏度、表面張力及合金元素間的相互作用都將對熔池的對流產生影響，故它們也必將對成分偏析造成影響。④開裂及裂紋。激光熔覆裂紋產生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差異，加之高能密度激光束的快速加熱和急冷作用，使熔覆層中產生極大的熱應力。通常情況下，激光熔覆層的熱應力為拉應力，當局部拉應力超過涂層材料的強度極限時，就會產生裂紋，由于激光熔覆層的枝晶界、氣孔、夾雜處強度較低且易子產生應力集中，裂紋往往在這些地方產生。

激光熔覆制備非晶涂層的影響因素：（1）基體晶粒的外延生長；（2）涂層成分分數的不均勻性；（3）涂層合金熔池表面不可避免的氧化現象-非晶合金形成最為敏感。

強流脈沖電子束（HCPEB）是近年來發展起來的一種有效的材料表面改性技術，在HCPEB輻照過程中，短時間的高密度電子脈沖可以在表面層引入不同的物理過程，如快速熔化-凝固，蒸發-冷凝以及表面平滑和退火。這些非平衡過程很容易改變表面形貌、微觀結構、化學成分、相結構和表面應力狀態。以往的許多研究表明，HCPEB輻照可以有效地改善激光熔覆涂層表面的力學性能。

發明內容

本發明的目的是針對現有激光熔覆技術制備非晶涂層存在的缺陷，提供一種基于激光熔覆與脈沖電子束輻照的非晶涂層制備方法。