專利名稱：一種金屬材料表面強化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料表面處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬材料表面強化方法。
背景技術(shù)：
隨著社會的發(fā)展，人類的活動不斷向超高溫領(lǐng)域擴展，材料的使用溫度不斷提高。 然而，目前正在使用的超高溫材料都存在各種難以克服的問題，如鎢的低溫脆性導致其很難加工；各種超高溫陶瓷具有本征脆性和制備的復雜性；碳-碳復合材料則抗氧化性太差， 亦無法完全滿足苛刻的極端熱環(huán)境的要求。許多很好的設(shè)計思想因材料無法滿足要求而無法實現(xiàn)，因此，材料就成了限制和阻礙超高溫應(yīng)用的瓶頸。為了提高現(xiàn)有材料的使用溫度，人們想盡了各種辦法。采用了多相復合陶瓷和在陶瓷中添加高強度纖維，來克服陶瓷材料的脆性；在碳-碳復合材料表面制備各種涂層來防止氧化，其中的一種方法就是采用難熔金屬碳化物在碳-碳復合材料表面制備抗氧化涂層，特別是使用TaC作為主成分原料摻入碳-碳復合材料基體中，或使用鉭化合物前軀體燒結(jié)反應(yīng)在表面生成TaC薄層，但效果都不理想，制備的表面涂層大多厚度較薄或耐高溫性能較低或具有多孔性，從而導致涂層強度低、耐高溫性差或過早失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種方法簡單、 設(shè)備常見、易于實現(xiàn)的金屬材料表面強化方法。采用本發(fā)明的方法可提高金屬材料的表面強度、硬度和抗磨、抗氧化、抗腐蝕性能，對材料整體的性能改變小。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，該方法為首先將金屬元素粉末與非金屬元素粉末按2 1 4的原子比混合， 然后向混合物中加入粘接劑并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的金屬材料表面形成涂層，再在氬氣氣氛保護下采用點狀熱源對金屬材料表面形成的涂層進行逐行掃描，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的金屬材料；所述金屬元素為稀有金屬元素，所述非金屬元素為C、B和Si中的一種或幾種。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述稀有金屬元素為Ta、Hf和ττ中的一種或幾種。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述粘接劑為水玻璃、淀粉粘接劑或蔗糖水溶液。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述涂層的厚度為0. Imm 2mm。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述點狀熱源由氬弧焊槍產(chǎn)生。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述氬弧焊槍的工作電流為50A 200A。上述的一種金屬材料表面強化方法，所述逐行掃描過程中控制點狀熱源與待強化的金屬材料的相對移動速度為lmm/s lOmm/s，掃描行間距為Imm 5mm。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點
1、本發(fā)明方法簡單、設(shè)備常見、易于實現(xiàn)。2、本發(fā)明先在基材表面涂覆一層涂層，然后采用應(yīng)用廣泛、成本低廉的氬弧焊槍 (也可用電子束、激光等點狀熱源)對涂覆層進行逐行掃描，誘發(fā)涂層中元素粉末間的放熱化合反應(yīng)，使外加熱量和涂覆層的放熱集中于一個小區(qū)域中，熱量高度集中，涂覆層完全熔化，并能充分反應(yīng)，熔體冷卻后便形成了與基材結(jié)合良好的致密涂層。本發(fā)明利用了涂層體系本身的化合熱，可節(jié)約能源，減小設(shè)備功率。3、采用本發(fā)明的方法可提高金屬材料的表面強度、硬度和抗磨、抗氧化、抗腐蝕性能，對材料整體的性能改變小。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明實施例1經(jīng)表面強化后的TaWlO合金材料的顯微結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式實施例1TaWlO合金材料表面的強化首先將金屬元素粉末Ta與非金屬元素粉末C按1 1的原子比混合，然后向混合物中加入粘接劑(水玻璃)并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的TaWlO合金材料表面形成厚度為0. 5mm的涂層，再在氬氣氣氛保護下采用氬弧焊槍產(chǎn)生的點狀熱源對TaWlO合金材料表面形成的涂層進行逐行掃描，氬弧焊槍的工作電流為 50A，逐行掃描過程中控制點狀熱源與TaWlO合金材料的相對移動速度為lmm/s，掃描行間距為3mm，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的TaWlO合金材料。圖1是本實施例經(jīng)表面強化后的TaWlO合金材料的顯微結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出， 經(jīng)表面強化后的TaWlO合金材料表面具有一層TaC熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。本實施例在外加點狀熱源和Ta、C粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成Ta-C熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的以TaC為主相的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層的厚度大于500 μ m,平均硬度HV670，為合金基材的3倍，過渡層厚度約100 μ m,硬度介于熔敷層與合金基材之間，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。實施例2TaWlO合金材料表面的強化本實施例的強化方法與實施例1相同，其中不同之處在于金屬元素粉末為Hf或 Zr，或者為Ta、Hf和rLr中的至少兩種；非金屬元素粉末為B或Si，或者為C、B和Si中的至少兩禾中。本實施例在外加點狀熱源和金屬元素粉末與非金屬元素粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。
實施例3TaWlO合金材料表面的強化首先將金屬元素粉末(Ta和Hf)與非金屬元素粉末(C)按2 1的原子比混合， 然后向混合物中加入粘接劑(淀粉粘接劑)并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的TaWlO合金材料表面形成厚度為0. 5mm的涂層，再在氬氣氣氛保護下采用氬弧焊槍產(chǎn)生的點狀熱源對TaWlO合金材料表面形成的涂層進行逐行掃描，氬弧焊槍的工作電流為100A，逐行掃描過程中控制點狀熱源與TaWlO合金材料的相對移動速度為 5mm/s，掃描行間距為3mm，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的TaWlO合金材料。本實施例在外加點狀熱源和Ta、Hf、C粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成Ta-Hf-C熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的以 Ta-Hf固溶體和TaC為主相的熔敷層，Hf作為替代式固溶元素固溶于Ta和TaC相中，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層的厚度大于500 μ m，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。實施例4TaWlO合金材料表面的強化本實施例的強化方法與實施例3相同，其中不同之處在于金屬元素粉末為Ta、Hf 和ττ中的一種或三種，或者為Ta和Zr，或者為Hf和& ；非金屬元素粉末為B或Si，或者為C、B和Si中的至少兩種。本實施例在外加點狀熱源和金屬元素粉末與非金屬元素粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。實施例5TaWlO合金材料表面的強化首先將金屬元素粉末(Ta、Hf和Zr)與非金屬元素粉末(C和B)按1 2的原子比混合，然后向混合物中加入粘接劑(水玻璃)并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的TaWlO合金材料表面形成厚度為0. Imm的涂層，再在氬氣氣氛保護下采用氬弧焊槍產(chǎn)生的點狀熱源對TaWlO合金材料表面形成的涂層進行逐行掃描，氬弧焊槍的工作電流為150A，逐行掃描過程中控制點狀熱源與TaWlO合金材料的相對移動速度為 lOmm/s，掃描行間距為1mm，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的TaWlO合金材料。本實施例在外加點狀熱源和Ta、Hf、Zr、C粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成Ta-Hfjr-C-B熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層中的相組成以TaC型碳化物和&B2型硼化物為主相，兩種類型的難熔化合物均勻混合，兩種類型的相組織尺度大多小于10 μ m，熔敷層和合金基材之間可見明顯界面，但均為凹凸不平的鋸齒狀界面，界面上無裂紋，無孔洞，結(jié)合牢固。熔敷層的厚度大于 200 μ m,硬度最高可達HV970，為合金基材的4倍。實施例6TaWlO合金材料表面的強化本實施例的強化方法與實施例5相同，其中不同之處在于金屬元素粉末為Ta、Hf和& 中的一種或兩種；非金屬元素粉末為C、B和Si中的一種或三種，或者為C和Si，或者為B和Si。本實施例在外加點狀熱源和金屬元素粉末與非金屬元素粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。實施例7鈮合金材料表面的強化首先將金屬元素粉末(Ta)與非金屬元素粉末(C)按1 1的原子比混合，然后向混合物中加入粘接劑(蔗糖水溶液)并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的鈮合金材料表面形成厚度為2mm的涂層，再在氬氣氣氛保護下采用氬弧焊槍產(chǎn)生的點狀熱源對鈮合金材料表面形成的涂層進行逐行掃描，氬弧焊槍的工作電流為 200A,逐行掃描過程中控制點狀熱源與鈮合金材料的相對移動速度為5mm/s，掃描行間距為 5mm，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的鈮合金材料。本實施例在外加點狀熱源和Ta、C粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，生成Ta-C 熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的以TaC為主相的熔敷層，熔敷層的厚度大于500 μ m，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，硬度介于熔敷層與合金基材之間。實施例8鈮合金材料表面的強化本實施例的強化方法與實施例7相同，其中不同之處在于金屬元素粉末為Hf或 Zr，或者為Ta、Hf和rLr中的至少兩種；非金屬元素粉末為B或Si，或者為C、B和Si中的至少兩禾中。本實施例在外加點狀熱源和金屬元素粉末與非金屬元素粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。實施例9鈦合金材料表面的強化首先將金屬元素粉末(Ta)與非金屬元素粉末(C)按1 1的原子比混合，然后向混合物中加入粘接劑(淀粉粘接劑)并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的鈦合金材料表面形成厚度為Imm的涂層，再在氬氣氣氛保護下采用氬弧焊槍產(chǎn)生的點狀熱源對鈦合金材料表面形成的涂層進行逐行掃描，氬弧焊槍的工作電流為 120A，逐行掃描過程中控制點狀熱源與鈦合金材料的相對移動速度為lOmm/s，掃描行間距為2mm，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的鈦合金材料。本實施例在外加點狀熱源和Ta、C粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，生成Ta-C 熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的以TaC為主相的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。
實施例10鈦合金材料表面的強化本實施例的強化方法與實施例9相同，其中不同之處在于金屬元素粉末為Hf或 Zr，或者為Ta、Hf和rLr中的至少兩種；非金屬元素粉末為B或Si，或者為C、B和Si中的至少兩禾中。本實施例在外加點狀熱源和金屬元素粉末與非金屬元素粉末間放熱化合反應(yīng)的共同作用下，涂層在合金基材上生成熔體，在氬氣保護下冷卻后，合金基材表面得到一層致密的熔敷層，熔敷層和合金基材之間有一具有成分梯度和組織梯度的過渡層，熔敷層、過渡層和合金基材間無明顯的平直界面。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明做任何限制，凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，該方法為首先將金屬元素粉末與非金屬元素粉末按2 1 4的原子比混合，然后向混合物中加入粘接劑并攪拌均勻使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的金屬材料表面形成涂層，再在氬氣氣氛保護下采用點狀熱源對金屬材料表面形成的涂層進行逐行掃描，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的金屬材料；所述金屬元素為稀有金屬元素，所述非金屬元素為C、B和Si中的一種或幾種。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述稀有金屬元素為Ta、Hf和ττ中的一種或幾種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述粘接劑為水玻璃、淀粉粘接劑或蔗糖水溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述涂層的厚度為 0. Imm 2mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述點狀熱源由氬弧焊槍產(chǎn)生。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述氬弧焊槍的工作電流為50A 200A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面強化方法，其特征在于，所述逐行掃描過程中控制點狀熱源與待強化的金屬材料的相對移動速度為lmm/s lOmm/s，掃描行間距為 1mm 5mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬材料表面強化方法，該方法為首先將金屬元素粉末與非金屬元素粉末混合，然后向混合物中加入粘接劑攪拌均勻并使混合物呈糊狀，接著將糊狀混合物均勻涂覆于待強化的金屬材料表面形成涂層，再在氬氣氣氛保護下采用點狀熱源對金屬材料表面形成的涂層進行逐行掃描，最后在氬氣氣氛保護下冷卻得到表面強化的金屬材料。本發(fā)明采用點狀熱源對涂層進行逐行掃描，誘發(fā)涂層中元素粉末間的放熱化合反應(yīng)，使外加熱量和涂層的放熱集中于一個小區(qū)域中，熱量高度集中，涂層完全熔化，并能充分反應(yīng)，熔體冷卻后便形成了與合金基材結(jié)合良好的致密涂層。采用本發(fā)明的方法可提高金屬材料的表面強度、硬度和抗磨、抗氧化、抗腐蝕性能。
文檔編號C23C24/10GK102230175SQ201110191708
公開日2011年11月2日 申請日期2011年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月10日
發(fā)明者張小明, 李中奎, 王峰, 王暉, 白新房, 蔡小梅, 鄭欣 申請人:西北有色金屬研究院