CN103710694A

CN103710694A - 一种轻金属表面化合物涂层的制备方法

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Publication number: CN103710694A
Application number: CN201310701052.7A
Authority: CN
Inventors: 崔承云; 崔熙贵; 周建忠; 许晓静; 张朝阳
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: SUZHOU RENHE BUSINESS EQUIPMENT Co.,Ltd.
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103710694B

Abstract

本发明公开了一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，涉及材料表面技术领域。本发明的特征在于，首先利用激光熔凝方法处理轻金属表面，然后将合金化用金属粉末预置于激光熔凝处理后的轻金属表面，最后在中温条件下通过激光喷丸处理预置粉末的轻金属表面，加速预置粉末与金属基体的扩散反应，制得表面化合物涂层。本发明降低了化合物涂层的形成温度，增加了表面化合物涂层的厚度，细化了表面化合物涂层的微观组织，显著提高了轻金属表面性能。本发明工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。

Description

一种轻金属表面化合物涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及材料表面技术领域，特指一种轻金属表面化合物涂层的制备方法。

背景技术

轻金属及其合金因其优异的性能已被广泛应用或显示出广泛的应用前景。但是，它们仍然存在自身的一些缺点，如铝及铝合金耐磨性差、镁及镁合金耐腐蚀性差等，这严重限制了其应用。表面改性能够在保持材料整体性能的前提下克服其耐磨和耐腐蚀性能差等缺点，引起了国内外众多研究者的关注。

化合物涂层通常具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化等性能，因此化合物涂层的制备得到了广泛的研究。目前，化合物涂层的制备方法有热喷涂、冷喷涂、激光熔覆、扩散渗等，其中，扩散渗是在金属基体表面通过原位扩散反应生成化合物涂层，能够避免界面结合差、致密性差、易产生裂纹等缺点，是制备高性能化合物涂层的有效方法。但是，传统的扩散渗，如渗铝，存在温度高、时间长、渗层浅、耗能大、成本高、渗件加工性能差等问题，严重限制了其应用。在此基础上，加速表面扩散反应进行，促进表面化合物涂层的形成成为人们追求的目标。表面微观结构是影响表面扩散反应的重要因素。表面晶粒细化和表面缺陷都有利于加速表面扩散反应的进行。目前主要采用的方法是先通过机械研磨或激光喷丸细化表面晶粒组织，再进行化学热处理来制备化合物涂层，但是，后续加热不仅会使细化的晶粒发生长大，阻碍进一步扩散反应，而且形成的化合物涂层组织也会长大，不利于其性能的提高。与本发明最接近的是专利号为CN1316056C的专利申请，其提出一种加速制备合金涂层的方法，是在封闭容器内通过介质球的机械撞击和热能来制备合金涂层，该方法虽然能够制备合金涂层，但自身还存在一些不足，首先，该方法未预先进行表面组织细化，初始扩散反应较慢，加之冲击力较小，应变率较低，冲击效应浅，不利于短时间内获得深的化合物涂层；其次，有质弹丸能够粘附粉末，造成金属粉末浪费，进一步降低冲击效应；最后，封闭容器无法处理大面积零件，而有质弹丸难以处理结构复杂零件。

针对以上问题，本发明提出一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，主要是先通过激光熔凝来细化金属表面组织，为后续扩散反应做组织准备，提供更多扩散通道，再在中温条件下通过激光喷丸方法冲击轻金属表面预置粉末，在强烈冲击能和热能的共同作用下加速预置粉末与金属基体的扩散反应，促进表面化合物涂层的形成，另外激光喷丸能够进一步细化表面化合物涂层组织，从而获得成分均匀、组织致密细小、厚度大的表面化合物涂层，显著提高轻金属表面性能。此工艺过程简单，无污染，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是为解决现有方法存在的问题，提供一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，借助激光熔凝和中温条件激光喷丸加速预置粉末与金属基体的扩散反应，促进表面化合物涂层的形成，并细化表面化合物涂层，形成一层高性能的成分均匀、组织致密细小、厚度大的表面化合物涂层。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光熔凝和中温条件激光喷丸相结合的复合方法制备高性能的化合物涂层，有效提高轻金属表面性能，扩大其应用范围。其步骤为：

1) 将轻金属表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

2) 将轻金属表面进行激光熔凝处理，细化表面晶粒；

3) 将扩散反应用金属粉末预置于激光熔凝处理后的轻金属表面；

4) 用铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将步骤3)中预置粉末后的轻金属进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，约束金属粉末，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

5) 将步骤4)中包覆好铝箔的轻金属固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，用纳秒脉冲激光器进行中温激光喷丸处理，制得表面化合物涂层。

所述的轻金属为金属铝、铝合金、金属镁或镁合金。

所述的激光熔凝采用连续CO₂激光器，参数为：激光功率为1KW-5KW，扫描速度为5 mm/s -50mm/s，光斑直径为2mm-5mm，搭接率为20%-50%。

所述的金属粉末为金属铝粉、金属锌粉或金属镍粉。

所述的金属粉末的平均直径为10nm-100μm。

所述的预置粉末的轻金属为预置金属镍粉末的金属铝或铝合金、预置金属锌粉末的金属铝或铝合金、或者预置金属铝粉末的金属镁或镁合金

所述的铝箔的厚度为20μm-40μm。

所述的中温激光喷丸处理的温度为400℃-600℃。

所述的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1GW/cm²-10GW/cm²，激光脉宽为5ns-40ns，光斑直径为0.5mm-10mm，搭接率为20%-80%。

本发明的优点在于：激光熔凝使轻金属表面经历快熔-快凝过程，能够有效细化表面晶粒组织，为预置粉末原子提供更多扩散通道，加速扩散反应的进行，为后续中温激光喷丸做好组织准备；中温激光喷丸能够同时产生热能激活和高能冲击激活作用，进一步加速预置粉末与轻金属表面扩散反应的进行，降低化合物涂层的形成温度，促进表面化合物涂层的形成，而且激光喷丸冲击力高，应变率大，作用深度深，有利于增加表面化合物涂层的厚度，并能够进一步细化表面化合物涂层的微观组织，提高表面涂层性能；此外，激光可控性好，加工柔性高，能够处理大面积和结构复杂零件。本发明集激光热力效应的优点于一体，通过组织准备及热能和机械能激活作用的配合，制备出高性能的表面化合物涂层，显著提高轻金属的表面性能。

具体实施方式

本发明中高性能表面化合物涂层是通过激光熔凝和中温条件激光喷丸相结合的复合方法制备而成。首先将轻金属表面打磨和抛光，并清洗干净，然后通过激光熔凝处理轻金属表面，细化表面组织，并将金属粉末预置于激光熔凝处理后的轻金属表面，最后用铝箔整体包覆预置粉末的轻金属，采用耐高温玻璃为约束层，通过中温激光喷丸进行处理，制得表面化合物涂层。本发明加速了预置粉末与金属基体的扩散反应，降低了化合物涂层的形成温度，增加了表面化合物涂层的厚度，细化了表面化合物涂层的微观组织，显著提高了轻金属表面性能。此工艺过程简单，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层，满足实际应用的需求。

实施例1：

1) 将金属铝表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

2) 将金属铝表面进行激光熔凝处理，激光功率为1KW，扫描速度为5mm/s，光斑直径为2mm，搭接率为20%，细化表面晶粒；

3) 将10nm的金属镍粉末预置于激光熔凝处理后的金属铝表面；

4) 用40μm铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将预置镍粉末的金属铝进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，起到约束金属粉末的作用，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

5) 将包覆好的预置镍粉末的金属铝固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，加热到400℃后用纳秒脉冲激光器进行激光喷丸处理，激光功率密度为10GW/cm²，激光脉宽为40ns，光斑直径为10mm，搭接率为80%，制得表面化合物涂层。

采用显微硬度计测试金属铝表面和化合物涂层的硬度，结果表明，本发明制备的化合物涂层的硬度为487HV，远高于金属铝表面硬度。可见，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层。

实施例2：

1) 将AZ31镁合金表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

2) 将镁合金表面进行激光熔凝处理，激光功率为2KW，扫描速度为15mm/s，光斑直径为3mm，搭接率为30%，细化表面晶粒；

3) 将10μm的金属铝粉末预置于激光熔凝处理后的铝合金表面；

4) 用20μm铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将预置铝粉末的镁合金进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，起到约束金属粉末的作用，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

5) 将包覆好的预置铝粉末的镁合金固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，加热到500℃后用纳秒脉冲激光器进行激光喷丸处理，激光功率密度为5GW/cm²，激光脉宽为20ns，光斑直径为5mm，搭接率为50%，制得表面化合物涂层。

采用腐蚀试验测试镁合金表面和化合物涂层的耐腐蚀性能，结果表明，本发明制备的化合物涂层出现腐蚀点的时间大于80h，远高于镁合金表面出现腐蚀点的时间。可见，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层。

实施例3：

1) 将ZL101铝合金表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

2) 将铝合金表面进行激光熔凝处理，激光功率为5KW，扫描速度为50mm/s，光斑直径为5mm，搭接率为50%，细化表面晶粒；

3) 将100μm的金属锌粉末预置于激光熔凝处理后的铝合金表面；

4) 用30μm铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将预置锌粉末的铝合金进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，起到约束金属粉末的作用，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

5) 将包覆好的预置锌粉末的铝合金固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，加热到600℃后用纳秒脉冲激光器进行激光喷丸处理，激光功率密度为1GW/cm²，激光脉宽为5ns，光斑直径为0.5mm，搭接率为20%，制得表面化合物涂层。

采用显微硬度计测试铝合金表面和化合物涂层的硬度，结果表明，本发明制备的化合物涂层的硬度为201HV，远高于铝合金表面硬度。可见，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层。

Claims

1. 一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，利用激光熔凝和中温条件激光喷丸方法加速轻金属表面预置粉末与金属基体的扩散反应，促进表面化合物涂层的形成，获得成分均匀、组织致密细小、厚度大的表面化合物涂层，提高轻金属表面性能；具体步骤为：

A) 将轻金属表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

B) 将轻金属表面进行激光熔凝处理，细化表面晶粒；

C) 将扩散反应用金属粉末预置于激光熔凝处理后的轻金属表面；

D) 用铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将步骤C)中预置粉末后的轻金属进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，约束金属粉末，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

E) 将步骤D)中包覆好铝箔的轻金属固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，用纳秒脉冲激光器进行中温激光喷丸处理，制得表面化合物涂层。

2. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤A)的轻金属为金属铝、铝合金、金属镁或镁合金。

3. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤B)的激光熔凝采用连续CO₂激光器，参数为：激光功率为1KW-5KW，扫描速度为5 mm/s -50mm/s，光斑直径为2mm-5mm，搭接率为20%-50%。

4. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤C)的金属粉末为金属铝粉、金属锌粉或金属镍粉。

5. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤C)的金属粉末的平均直径为10nm-100μm。

6. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤D)的预置粉末的轻金属为预置金属镍粉末的金属铝或铝合金、预置金属锌粉末的金属铝或铝合金、或者预置金属铝粉末的金属镁或镁合金。

7. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤D)的铝箔的厚度为20μm-40μm。

8. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤E)的中温激光喷丸处理的温度为400℃-600℃。

9. 根据权利要求1所述的一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤E)的激光喷丸处理参数为：激光功率密度为1GW/cm²-10GW/cm²，激光脉宽为5ns-40ns，光斑直径为0.5mm-10mm，搭接率为20%-80%。