專利名稱：金屬表面的納米涂層工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬機械工程領(lǐng)域，涉及金屬材料的表面強化和修復(fù)，尤其適用于形狀復(fù)雜的失效尺寸較小的機械裝備關(guān)鍵部件和易腐蝕、磨損而報廢的零部件，如各輪機葉片、模具表面、各類高精度強力切削刀具的刃口的強化和修復(fù)加工等。
背景技術(shù)：
我國數(shù)十年建設(shè)所積累的數(shù)萬億元的設(shè)備，正在經(jīng)歷或面臨改造更新，尤其是70年代以來引進的大量成套設(shè)備面臨報廢的問題，每年因腐蝕、磨損使設(shè)備停產(chǎn)、報廢，所造成的損失超過千億元。面對如此大量設(shè)備的維修、性能提升和報廢回收，如何盡量減少材料和能源的浪費，減少環(huán)境污染，已經(jīng)成為亟待解決的問題。
作為再制造的關(guān)鍵技術(shù)通常有焊接、堆焊、表面納米復(fù)合強化、高能束強化、電化學(xué)鍍、噴涂與噴熔、沉積、激光修復(fù)等。失效厚度較大時，可用普通堆焊技術(shù)對其進行修復(fù)，目前國內(nèi)外這方面的研究已較成熟。而在生產(chǎn)實際中，失效尺寸多為0.01mm～0.2mm，易失效的精密重要部件往往對耐磨、耐蝕、疲勞等性能有較高或特殊要求，表面堆焊技術(shù)已不能適用，必須用到表面納米技術(shù)，在失效部位表面形成納米結(jié)構(gòu)層，精確恢復(fù)尺寸并提升性能，在復(fù)雜精密件中表面納米復(fù)合強化涂層技術(shù)尤為重要。零件表面納米復(fù)合強化涂層的制備方法通常有高速電弧噴涂技術(shù)、納米電刷鍍技術(shù)、電化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)及化學(xué)氣相沉積技術(shù)等。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點，大部分是將納米粒子機械地混合到涂層之中，存在著與基體的結(jié)合強度不夠、真空條件下操作不便、涂層性能不高等問題。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有納米涂層技術(shù)存在的與基體的結(jié)合強度不夠、真空條件下操作不便、涂層性能不高等缺點，提供一種強化層與基體結(jié)合強度大、操作方便、涂層性能高的金屬表面的納米涂層工藝。
本發(fā)明所述的金屬表面納米涂層工藝，包括如下工藝步驟(1)清潔金屬需處理區(qū)表面；(2)在清潔后的表面涂覆納米粉末材料；(3)待涂層干燥后，根據(jù)涂層面積選擇相應(yīng)光斑的激光束進行熔覆處理；并同時對激光熔覆處理區(qū)域進行同步的惰性氣體保護；(4)激光熔覆處理后的金屬自然冷卻即可。
進一步，步驟(2)所述的納米粉末材料為預(yù)置的復(fù)合納米材料。
所述預(yù)置的復(fù)合納米材料成分體積百分比為納米金屬顆粒10～30％，粘結(jié)劑70～90％。
所述納米金屬顆粒中的金屬粒子為下列之一，或兩種以兩種以上的任意比例的混合物①氧化鋁 ②碳化鎢 ③碳化鈦。
所述的納米金屬顆粒經(jīng)過包覆處理，所述的包覆處理為用鎳或鈷為包覆材料，包覆后納米合金顆粒成分質(zhì)量百分比為50-90％納米金屬，10-50％包覆材料。
所述的納米金屬顆粒中的金屬粒為氧化鋁、碳鎢、碳化鈦組成的合金。
步驟(3)所述的惰性氣體為氬氣或氮氣。
步驟(3)所述的激光熔覆處理過程中，工件與激光束做同步逆向運動。
所述的激光熔覆處理的工藝參數(shù)如下激光輸出功率2.5～4kW，激光掃描速度4～12m/min。
所述的納米金屬顆粒中的金屬粒子為氧化鋁，所述的納米金屬顆粒經(jīng)過包覆處理，所述的包覆處理為用鎳為包覆材料，步驟(3)所述的惰性氣體為氬氣，所述的激光熔覆處理的工藝參數(shù)如下激光輸出功率3kW，激光掃描速度10m/min。
采用本發(fā)明具有以下優(yōu)點通過大功率高能量激光束的作用，在鐵基材料的表面直接制備可控納米結(jié)構(gòu)涂層，通過激光熔覆，復(fù)合納米顆粒(納米Al2O3、WC、碳管等)擴散、快速冷卻、彌散分布在金屬表面，實現(xiàn)機械裝備關(guān)鍵部件性能的提升和易腐易磨報廢零部件的修復(fù)再生利用；解決了堆焊、噴涂修復(fù)的機械結(jié)合差、涂層易脫落、強化修復(fù)尺寸范圍窄等問題，增強了強化層與基體的結(jié)合力，提高了金屬表面硬度，高度細化了晶粒。


圖1本發(fā)明激光制備納米涂層示意2為激光熔覆鎳包納米氧化鋁復(fù)合涂層的SEM圖其中，(a)預(yù)置刷涂層(b)熔覆后試樣表面(c)表面的胞狀枝晶(d)涂層側(cè)面圖3為圖2制備的激光處理層顯微硬度曲線4為圖2制備的激光處理層磨損對比曲線圖5激光熔覆鈷包納米碳鎢涂層的SEM圖其中，(a)熔覆后試樣表面(b)側(cè)面熔覆區(qū)(c)側(cè)面過渡區(qū)(d)側(cè)面熱影響區(qū)圖6為圖5制備的激光處理層顯微硬度曲線7為圖5制備的激光處理層磨損對比曲線
1-激光束 2-保護氣體 3-激光作用區(qū) 4-已處理區(qū) 5-待處理區(qū)具體實施方式
實施例一參照附圖1，金屬表面的納米涂層工藝包括如下步驟(1)試樣預(yù)處理清洗金屬試樣處理部位；(2)納米微粒配制利用化學(xué)氣相沉積法制備鎳包納米氧化鋁，納米氧化鋁顆粒為球型，直徑50nm，表面包覆鎳后顆粒直徑為150nm左右。鎳包氧化鋁粉末中氧化鋁的質(zhì)量分數(shù)為30％；預(yù)置涂層向混合粉末中加入一定量的粘結(jié)劑，經(jīng)充分攪拌混合均勻后制成膏狀物，用毛刷涂敷于尺寸為100×50×30mm的2Cr13不銹鋼試樣表面。預(yù)置涂層厚度為1mm；(3)、根據(jù)涂層面積選擇對應(yīng)光斑的激光束1進行熔覆處理，所述激光工藝參數(shù)選擇根據(jù)處理面積選擇矩形光斑(10×2mm)的激光束；為防止納米顆粒的長大，獲得納米級的表面涂層，需提高激光掃描速度，本發(fā)明實施過程中，采用自制加速裝置，激光束與處理工件以相反的方向運動，以獲得10m/min的速度，采用氬氣2進行同步的氣體保護；最后進行自然冷卻即可，所制備的金屬表面激光熔覆鎳包納米氧化鋁復(fù)合涂層的SEM圖如圖2所示，激光處理層顯微硬度和磨損對比實驗測試結(jié)果分別如下圖3和圖4所示。
納米氧化鋁顆粒在復(fù)合涂層中彌散分布、粒度均勻，與(Fe，Ni)和(Fe，Cr)合金形成致密的胞狀樹枝晶結(jié)構(gòu)。納米顆粒增加了基質(zhì)金屬的成核率，細化了涂層的晶粒。與2Cr13基體相比，復(fù)合涂層的硬度提高了150～300HV，耐磨損性能提高了1.25倍。
實施例二，參照圖1，金屬表面的納米涂層工藝包括如下步驟(1)試樣預(yù)處理清洗金屬試樣處理部位1；(2)納米微粒配制利用化學(xué)氣相沉積法制備鈷包納米碳鎢，納米碳鎢顆粒為球型，直徑50nm，表面包覆鈷后顆粒直徑為150nm左右。鈷包碳鎢粉末中碳鎢的質(zhì)量分數(shù)為30％；預(yù)置涂層2向混合粉末中加入一定量的粘結(jié)劑，經(jīng)充分攪拌混合均勻后制成膏狀物，用毛刷涂敷于尺寸為100×50×30mm的2Cr13不銹鋼試樣表面。預(yù)置涂層厚度為1mm；(3)、根據(jù)涂層面積選擇對應(yīng)光斑的光束進行激光熔覆處理，所述激光工藝參數(shù)選擇根據(jù)處理面積選擇矩形光斑(10×2mm)的激光束；為防止納米顆粒的長大，獲得納米級的表面涂層，需提高激光掃描速度，本發(fā)明實施過程中，采用自制加速裝置，激光束與處理工件以相反的方向運動，以獲得12m min的速度，采用氮氣3進行同步的氣體保護；最后進行自然冷卻即可，所制備的金屬表面激光熔覆鈷包納米碳鎢復(fù)合涂層的SEM圖如圖5所示，激光處理層顯微硬度和磨損對比實驗測試結(jié)果分別如下圖6和圖7所示。
激光熔覆過程中，大部分的納米碳鎢溶解到鐵液中，在凝固過程中以枝晶間固溶體和碳化物的形式析出。XRD分析表明，復(fù)合涂層由Fe、WC、W2C和Fe3C幾種成分組成。涂層的表面硬度為1750HV，熔覆區(qū)平均硬度為1200HV。涂層的耐磨損性能比基體提高了2.5倍。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于，所述的納米涂層工藝包括如下工藝步驟(1)、清潔金屬需處理區(qū)表面；(2)、在清潔后的表面涂覆納米粉末材料；(3)、待涂層干燥后，根據(jù)涂層面積選擇相應(yīng)光斑的激光束進行熔覆處理；并同時對激光熔覆處理區(qū)域進行同步的惰性氣體保護；(4)、激光熔覆處理后的金屬自然冷卻即可。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于步驟(2)所述的納米粉末材料為預(yù)置的復(fù)合納米材料。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述預(yù)置的復(fù)合納米材料成分體積百分比為納米金屬顆粒10～30％，粘結(jié)劑70～90％。
4.如權(quán)利要求3所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述納米金屬顆粒中的金屬粒子為下列之一，或兩種以兩種以上的任意比例的混合物①氧化鋁 ②碳化鎢 ③碳化鈦。
5.如權(quán)利要求4所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述的納米金屬顆粒經(jīng)過包覆處理，所述的包覆處理為用鎳或鈷為包覆材料，包覆后納米合金顆粒成分質(zhì)量百分比為50-90％納米金屬，10-50％包覆材料。
6.如權(quán)利要求4所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述的納米金屬顆粒中的金屬粒為氧化鋁、碳鎢、碳化鈦組成的合金。
7.如權(quán)利要求4-6之一所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于步驟(3)所述的惰性氣體為氬氣或氮氣。
8.如權(quán)利要求7所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于步驟(3)所述的激光熔覆處理過程中，工件與激光束做同步逆向運動。
9.如權(quán)利要求8所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述的激光熔覆處理的工藝參數(shù)如下激光輸出功率2.5～4kW，激光掃描速度4～12m/min。
10.如權(quán)利要求1所述的金屬表面的納米涂層工藝，其特征在于所述的納米金屬顆粒中的金屬粒子為氧化鋁，所述的納米金屬顆粒經(jīng)過包覆處理，所述的包覆處理為用鎳為包覆材料，步驟(3)所述的惰性氣體為氬氣，所述的激光熔覆處理的工藝參數(shù)如下激光輸出功率3kW，激光掃描速度10m/min。
全文摘要
一種金屬表面的納米涂層工藝，所述的納米涂層工藝包括如下工藝步驟(1)清潔金屬需處理區(qū)表面；(2)在清潔后的表面涂覆納米粉末材料；(3)待涂層干燥后，根據(jù)涂層面積選擇相應(yīng)光斑的激光束進行熔覆處理；并同時對激光熔覆處理區(qū)域進行同步的惰性氣體保護；(4)激光熔覆處理后的金屬自然冷卻即可。本發(fā)明通過大功率高能量激光束的作用，在金屬表面直接制備可控納米結(jié)構(gòu)涂層，通過激光熔覆，復(fù)合納米顆粒、擴散、快速冷卻、彌散分布在金屬表面，實現(xiàn)機械裝備關(guān)鍵部件性能的提升和易腐易磨報廢零部件的修復(fù)再生利用。
文檔編號B05C1/04GK1807685SQ200510061928
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者姚建華, 張群莉, 張偉 申請人:浙江工業(yè)大學(xué), 杭州博華激光技術(shù)有限公司