專利名稱：一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行激光熔覆得到表面涂層的方法，具體地說是一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法。
背景技術(shù)：
師昌緒、徐濱士院士總結(jié)的“20世紀(jì)是表面工程形成、興起并快速發(fā)展的世紀(jì)，21世紀(jì)將是表面工程更加成熟完善并且大顯身手的世紀(jì)”很好的闡述了表面工程這一新興領(lǐng)域的發(fā)展軌跡。作為機(jī)械、材料、物理化學(xué)等學(xué)科的交叉研究前沿，表面工程是21世紀(jì)工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，具有十分重要的作用和地位。而涂層制備技術(shù)又是表面工程領(lǐng)域的主要研究?jī)?nèi)容，將新技術(shù)、新材料、新工藝結(jié)合的研究已在航空、航天、機(jī)械等方面獲得了廣泛的應(yīng)用和飛速的發(fā)展。激光熔覆技術(shù)是新興的激光技術(shù)與歷史悠久的金屬熱處理相結(jié)合的產(chǎn)物，由于高能量密度產(chǎn)生極快的加熱速度、功率輸出精確可控和熔覆表面區(qū)域的可選擇性，激光熔覆技術(shù)已引起了廣泛的關(guān)注和重視，并已廣泛的應(yīng)用于表面涂層制備。目前，激光熔覆最大的問題是涂層的脆性高，裂紋傾向大，大大限制了其在關(guān)鍵零部件的應(yīng)用范圍。而現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)材料性能的要求愈來愈高，要求材料同時(shí)具備抗高溫、高導(dǎo)熱系數(shù)、高強(qiáng)度、高蠕變抗力、高的應(yīng)變等級(jí)以及良好的穩(wěn)定性等綜合性能，單一材料很難同時(shí)具備這種綜合性能。因此，發(fā)展復(fù)合材料勢(shì)在必行。陶瓷材料具有優(yōu)異的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料能有機(jī)地將金屬材料的強(qiáng)韌性、易加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等和陶瓷顆粒的特點(diǎn)結(jié)合起來，發(fā)揮兩類材料的綜合優(yōu)勢(shì)，同時(shí)滿足對(duì)結(jié)構(gòu)性能(強(qiáng)度、韌性等)和環(huán)境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫等)的需要，獲得相當(dāng)理想的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料因其具有的優(yōu)良性能倍受關(guān)注，是材料科學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。而納米材料由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，為表面涂層性能的提高提供了有利的條件，在2000年徐濱士等就提出了 “納米表面工程”的概念?，F(xiàn)在將納米技術(shù)與激光熔覆技術(shù)相結(jié)合，制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，眾多研究表明，與傳統(tǒng)涂層相比，納米涂層在強(qiáng)度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面會(huì)有顯著改善，且部分涂層可以同時(shí)具有上述多種性能。如Yarrapareddy等通過機(jī)械球磨法把一定比例的納米WC粉末和微米M-60WC粉末制成了納米/微米復(fù)合粉末，然后在4140鋼表面對(duì)復(fù)合粉末進(jìn)行激光熔覆，制得了納米粒子分散均勻且基本維持在納米量級(jí)的納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層。WC納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層耐沖蝕性能明顯優(yōu)于單一 Ni-BOffC熔覆層和4140基體。安徽工業(yè)大學(xué)激光加工研究中心的李明喜等研究了添加不同的納米顆粒對(duì)激光熔覆鈷/鎳基合金粉末組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。南京航空航天大學(xué)的王宏宇等分別研究了添加納米Al2O3及( 對(duì)激光熔覆鎳基高溫粉末組織及抗高溫氧化性能的影響。顆粒增強(qiáng)的材料按增強(qiáng)體的加入方式可分為外加顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料。在1967年，Merzhanov等人就提出了原位復(fù)合材料的構(gòu)想。所謂原位自生，即在一定條件下，通過元素與元素或元素與化合物間的放熱反應(yīng)，原位形成陶瓷相。 由于這種陶瓷相引入的特殊性，因而不僅它的尺寸細(xì)小，而且顆粒表面無污染，與基體存在較好的潤(rùn)濕性，界面結(jié)合強(qiáng)度高。這兩個(gè)特點(diǎn)使得這種復(fù)合材料較傳統(tǒng)的外加增強(qiáng)相復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和模量，及良好的高溫性能和抗疲勞、耐磨損性能。現(xiàn)在原位反應(yīng)合成技術(shù)已引起研究人員的足夠興趣，而激光熔覆是眾多制備原位自生顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料技術(shù)中最經(jīng)濟(jì)、優(yōu)秀的方法之一。如清華大學(xué)吳朝鋒等人通過在鐵基熔覆粉末中單獨(dú)添加Ti， 復(fù)合添加以及Ti+Zr+WC的方式，運(yùn)用激光熔覆技術(shù)在中碳鋼表面制備了顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層，研究了涂層的顯微組織、顆粒相結(jié)構(gòu)及顆粒相與熔覆層基體相之間的界面，并對(duì)比滲碳淬火工藝研究了顆粒增強(qiáng)涂層的耐磨性能。結(jié)果表明，涂層微觀結(jié)構(gòu)是典型的亞共晶介穩(wěn)組織，原位合成的顆粒是一種復(fù)合碳化物，界面處結(jié)合牢固，激光原位制備復(fù)合碳化物顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層具有優(yōu)異的耐磨性能。張松等用Ti,Cr2C3混合粉末作為預(yù)置合金涂層，在Ti6A14V合金表面制備出原位自生TiC顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料涂層。熔覆層組織致密，且與基體潤(rùn)濕性良好，使基體合金的表面硬度大幅提高，摩擦磨損性能得到顯著改
口 ο梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，F(xiàn)GM)是適應(yīng)大溫差服役環(huán)境而由日本科學(xué)技術(shù)廳1987年在“關(guān)于為緩和熱應(yīng)力的梯度功能材料開發(fā)基礎(chǔ)技術(shù)的研究” 計(jì)劃中提出的。其制備過程中，通過連續(xù)地控制微觀結(jié)構(gòu)要素，使成分、組織連續(xù)變化，不存在明顯的界面，從而大大緩和了熱應(yīng)力。近年來，“梯度化”作為一種材料的設(shè)計(jì)思想和結(jié)構(gòu)控制方法已不再局限于熱應(yīng)力緩和功能，它的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到航空、航天、原子能、機(jī)械、化工、電子、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，在耐磨、耐熱、耐腐蝕等結(jié)構(gòu)材料方面同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。激光熔覆作為一種常用的梯度涂層制備方法而得到了廣泛的研究。激光熔覆法制備梯度涂層是20世紀(jì)90年代由Jasim等人發(fā)展起來的一種新方法，其基本原理和過程與圖1的激光熔覆制備納米顆粒增強(qiáng)的梯度涂層的最后一步類似。 即利用激光熔覆的方法，先在基體表面熔覆一層含少量B材料的AB混合粉末。然后，逐漸增加AB混合粉末中B的含量，重復(fù)以上過程，就可得到B沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。激光熔覆制備梯度涂層技術(shù)，自從誕生以來得到了廣泛應(yīng)用。Riabkina- Fishman 等在激光表面熔覆的過程中同時(shí)注射不同體積分?jǐn)?shù)的WC顆粒，在M2高速鋼的表面獲得了 WC梯度涂層。在國(guó)內(nèi)，吳萍等利用熱噴涂結(jié)合激光重熔的方法在A3鋼表面多層涂覆 M35+KF56混合粉末，獲得了陶瓷相體積分?jǐn)?shù)沿基體到表面呈梯度變化、過渡層和基體結(jié)合良好、無氣孔和裂紋、厚度為0.4 mm-0.8 mm的梯度涂層。楊膠溪等利用激光寬帶熔覆技術(shù)在45鋼表面制備了 WC-Ni基超硬梯度復(fù)合涂層，并對(duì)比研究了單一熔覆層、梯度熔覆層的熔覆層形貌、缺陷狀態(tài)、硬度及其分布。結(jié)果表明，單一熔覆層易出現(xiàn)宏觀裂紋、界面處熔合差等缺陷；梯度激光熔覆層逐級(jí)過渡的結(jié)合形式緩解了應(yīng)力集中，使應(yīng)力合理分布。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，通過連續(xù)控制微觀結(jié)構(gòu)要素，可以實(shí)現(xiàn)成分、組織的梯度變化，獲得無氣孔、 無裂紋的梯度熔覆涂層。綜上所述，經(jīng)對(duì)現(xiàn)在技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，常見的制備高性能激光熔覆涂層的方法有激光熔覆納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層、激光原位自生復(fù)合涂層以及激光熔覆梯度涂層等。在進(jìn)一步的檢索中，尚未發(fā)現(xiàn)將激光熔覆納米顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層和激光熔覆梯度涂層兩者結(jié)合起來制備納米顆粒增強(qiáng)的梯度涂層的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對(duì)現(xiàn)階段對(duì)材料表面性能要求愈來愈高的問題，發(fā)明一種能應(yīng)用于苛刻、極端環(huán)境的激光熔覆制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層的方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)問題的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，該方法包括下列步驟
步驟1、采用機(jī)械復(fù)合法把若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末制備成包覆型復(fù)合粉末，所述包覆型復(fù)合粉末為納米陶瓷顆粒包覆在微米金屬粉末周圍且納米陶瓷顆粒分散均勻，若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末中，納米陶瓷顆粒的含量逐漸增加； 步驟2、利用模壓法壓制激光熔覆薄片；
步驟3、利用多層激光熔覆的方法制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層。該發(fā)明進(jìn)一步具體為
所述的機(jī)械復(fù)合法指的是高能球磨法。所述的模壓法制片為利用壓力機(jī)或壓片機(jī)在模具中將包覆型復(fù)合粉末壓制成一定厚度的激光熔覆薄片。所述步驟3具體為先在經(jīng)預(yù)處理的基體表面熔覆一層含有少量納米陶瓷顆粒的熔覆薄片，接著對(duì)熔覆表面進(jìn)行處理，然后在已處理的熔覆表面再熔覆納米陶瓷顆粒含量逐漸增加的熔覆薄片，直至納米陶瓷顆粒含量最多的熔覆薄片熔覆完畢，就得到納米陶瓷顆粒沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。所述的基體預(yù)處理為對(duì)基體表面進(jìn)行毛化處理并清洗干凈，毛化方法包括噴砂毛化、切削加工毛化及特種加工毛化中的一種或幾種。所述的熔覆層表面處理為對(duì)非最終熔覆表面進(jìn)行平整化處理、清洗干凈并干燥， 平整化處理采用機(jī)械磨削或手工磨削。作為一個(gè)例子，所述微米金屬粉末為McrAlY，M=Ni和/或Co，所述納米陶瓷顆粒為納米Al2O3陶瓷顆粒，該方法的具體步驟包括
①把質(zhì)量比分別為1:99、1 49,1 19,1 9的納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Al2O3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在MCrAlY粉末四周的包覆型復(fù)合粉末；
②在壓力機(jī)上采用模壓法把上述不同配比的包覆型復(fù)合粉末分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至一定尺寸的TiAl合金、TC4鈦合金或鎳基高溫合金基體表面進(jìn)行毛化及清洗預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :99的熔覆薄片，然后依次熔覆Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :49、 1 :19、1 :9的熔覆薄片。在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/ 基體微熔，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為950 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑， 激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為MO mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。作為另一個(gè)例子，所述微米金屬粉末為MCr，所述納米陶瓷顆粒為納米Cr2C3陶瓷顆粒，該方法的具體步驟包括
①把質(zhì)量比分別為1:10、1 :5、1 2的納米Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Cr2C3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型復(fù)合粉末；
②在壓力機(jī)上采用模壓法把上述不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至25mmX8 mmX8 mm的TiAl合金、TC4鈦合金或鎳基高溫合金試樣表面進(jìn)行毛化及清洗預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒和 NiCr合金粉末配比為1 10的熔覆薄片，然后依次熔覆Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :5、1 2的熔覆薄片，在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為1200 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為300 mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%ο本發(fā)明的技術(shù)效果
(1)由于納米粒子的表面與界面效應(yīng)，使得納米粉末較微米、亞微米粉末更易團(tuán)聚，而且納米粒子形成的團(tuán)聚體往往是硬團(tuán)聚體，因而使得物質(zhì)的比表面減小，納米粒子的優(yōu)異特性幾乎完全喪失，實(shí)際實(shí)用效果并不理想。本發(fā)明通過把一定配比的微米金屬與納米陶瓷增強(qiáng)顆粒的混合粉末制備成納米粒子分散均勻的包覆型復(fù)合粉末，從而解決納米粒子易團(tuán)聚的問題，充分發(fā)揮納米粒子的增強(qiáng)效果。( 2 )本發(fā)明通過模壓法實(shí)現(xiàn)了熔覆層的綠色預(yù)置。由于復(fù)合粉末顆粒較小，粉末表面積較大，在模壓過程中因摩擦而產(chǎn)生的靜電力使顆粒與顆粒之間牢牢地粘在一起，不容易分離，另外該方法不采用粘結(jié)劑，有效地避免了粘結(jié)劑帶來的雜質(zhì)元素等不足。(3)本發(fā)明充分發(fā)揮了納米陶瓷顆粒的強(qiáng)化效應(yīng)和梯度涂層的應(yīng)力緩和作用的協(xié)同效果，通過納米陶瓷顆粒的彌散強(qiáng)化機(jī)制將使制備的陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基涂層具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性，再加上梯度涂層的應(yīng)力緩和機(jī)制有效的解決了激光熔覆涂層脆性高，裂紋傾向大的問題，從而有望獲得無裂紋、高性能的激光熔覆涂層，使涂層應(yīng)用于苛刻、極端環(huán)境成為可能。


圖1是本發(fā)明的制備工藝原理圖。圖中1是微米金屬粉末，2是納米陶瓷顆粒，3是包覆型復(fù)合粉末，4是熔覆薄片， 5是基體，6是熔池，7是激光束，8是第1層熔覆層，9是第2層熔覆層，10是第η層熔覆層。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法包括下述步驟
首先，采用機(jī)械復(fù)合法(高能球磨)把若干組具有一定配比的微米金屬粉末1與納米陶瓷顆粒2的混合粉末制備成對(duì)應(yīng)的納米粒子分散均勻的包覆型復(fù)合粉末3，若干組具有一定配比的微米金屬粉末1與納米陶瓷顆粒2的混合粉末中，納米陶瓷顆粒2的含量逐漸增加；
其次，采用模壓法壓制激光熔覆薄片4，即利用壓力機(jī)或壓片機(jī)在模具中將配制好的包覆型復(fù)合粉末3壓制成一定厚度的熔覆薄片4，實(shí)現(xiàn)熔覆層的綠色預(yù)置；
最后，利用多層激光熔覆的方法制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層，先使用激光束7照射經(jīng)預(yù)處理的基體5上的熔池6，在經(jīng)預(yù)處理的基體5表面先熔覆一層含有少量納米陶瓷顆粒2的熔覆薄片4，即如圖1中所示的第1層熔覆層8，然后熔覆納米陶瓷顆粒2 含量逐漸增加的熔覆薄片4，如第2層熔覆層9，直至納米陶瓷顆粒2含量最多的熔覆薄片4 熔覆完畢，如第η層熔覆層10，就可以得到納米陶瓷顆粒沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。實(shí)施例一
在TiAl基金屬間化合物合金(簡(jiǎn)稱TiAl合金)基體表面激光多層熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層，M=Ni和Co，其具體步驟是
①通過控制磨球與粉料的質(zhì)量比、球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速及球磨時(shí)間，把質(zhì)量比分別為1:99、 1 :49,1 19,1 9的納米Al2O3陶瓷顆粒(平均粒徑為20 nm)和MCrAlY合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-113A，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Al2O3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②根據(jù)復(fù)合粉末顆粒較小，粉末表面積較大的特點(diǎn)，利用在模壓過程中因摩擦而產(chǎn)生的靜電力在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度控制在0. 25 mm左右)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至一定尺寸(25mmX8 mmX8 mm)的TiAl合金(鋼鐵研究總院高溫材料研究所牌號(hào)為TAC-2的Y-TiAl基合金)基體表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :99的模壓薄片， 然后依次熔覆Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :49、1 :19、1 :9的模壓薄片，在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，這樣既可以使底層與熔覆層達(dá)到冶金結(jié)合，又可以冷凝后在底層表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層。激光熔覆采用SLCF-X12X25型0)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為950 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)， 掃描速度為MO mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在TiAl 合金表面得到納米Al2O3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層。實(shí)施例二
在TiAl合金基體表面激光多層熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCr基梯度高溫耐磨涂層，其具體步驟與實(shí)施例一類似
①把質(zhì)量比分別為1=IOU :5、1 2的納米Cr2C3陶瓷顆粒(平均粒徑為30 nm)和NiCr 合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-305，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Cr2C3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度約0. 2 mm)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至25mmX8 mmX8 mm的TiAl合金試樣表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 10的模壓薄片，然后依次熔覆Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :5、1 2的模壓薄片。激光熔覆采用SLCF-X12 X 25型(X)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為1200 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為300 mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在TiAl合金表面得到納米Cr2C3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCr基梯度高溫耐磨涂層。實(shí)施例三
在TC4鈦合金基體表面激光多層熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層，M=Ni，其步驟與實(shí)施例一類似
①通過控制磨球與粉料的質(zhì)量比、球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速及球磨時(shí)間，把質(zhì)量比分別為1:99、 1 :49,1 19,1 9的納米Al2O3陶瓷顆粒(平均粒徑為20 nm)和MCrAlY合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-113A，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Al2O3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②根據(jù)復(fù)合粉末顆粒較小，粉末表面積較大的特點(diǎn)，利用在模壓過程中因摩擦而產(chǎn)生的靜電力在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度控制在0. 25 mm左右)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至一定尺寸(25mmX8 mmX8 mm)的TC4鈦合金基體表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :99的模壓薄片，然后依次熔覆Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :49、1 19、1 9的模壓薄片，在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，這樣既可以使底層與熔覆層達(dá)到冶金結(jié)合，又可以冷凝后在底層表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層。激光熔覆采用SLCF-X12X25型(X)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為950 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑， 激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為MO mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在TC4鈦合金表面得到納米Al2O3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層。實(shí)施例四
在TC4鈦合金基體表面激光多層熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCr基梯度高溫耐磨涂層，其具體步驟與實(shí)施例一類似
①把質(zhì)量比分別為1=IOU :5、1 2的納米Cr2C3陶瓷顆粒(平均粒徑為30 nm)和NiCr 合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-305，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Cr2C3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度約0. 2 mm)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至25mmX8 mmX8 mm的TiAl合金試樣表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 10的模壓薄片，然后依次熔覆Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :5、1 2的模壓薄片。激光熔覆采用SLCF-X12 X 25型(X)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為1200 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為300 mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在TC4鈦合金表面得到納米Cr2C3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCr基梯度高溫耐磨涂層。實(shí)施例五
在鎳基高溫合金基體表面激光多層熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層，M= Co，其具體步驟是
①通過控制磨球與粉料的質(zhì)量比、球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速及球磨時(shí)間，把質(zhì)量比分別為1:99、 1 :49,1 19,1 9的納米Al2O3陶瓷顆粒(平均粒徑為20 nm)和MCrAlY合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-113A，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Al2O3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②根據(jù)復(fù)合粉末顆粒較小，粉末表面積較大的特點(diǎn)，利用在模壓過程中因摩擦而產(chǎn)生的靜電力在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度控制在0. 25 mm左右)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至一定尺寸(25mmX8 mmX8 mm)的鎳基高溫合金基體表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :99的模壓薄片，然后依次熔覆Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :49、 1 :19,1 9的模壓薄片，在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，這樣既可以使底層與熔覆層達(dá)到冶金結(jié)合，又可以冷凝后在底層表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層。激光熔覆采用SLCF-X12X25型(X)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為950 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑， 激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為MO mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在鎳基高溫合金表面得到納米Al2O3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCrAlY基梯度抗高溫氧化涂層。實(shí)施例六
在鎳基高溫合金基體表面激光多層熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒增強(qiáng)的MCr基梯度高溫耐磨涂層，其具體步驟與實(shí)施例一類似
①把質(zhì)量比分別為1=IOU :5、1 2的納米Cr2C3陶瓷顆粒(平均粒徑為30 nm)和NiCr 合金粉末(北京礦冶研究總院金屬材料所，牌號(hào)為KF-305，尺寸分布范圍為45 105 μ m)在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Cr2C3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型復(fù)合粒子；
②在壓力機(jī)上采用模壓法把不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片(尺寸為25 mmX8 mm，厚度約0. 2 mm)；
③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至25mmX8 mmX8 mm的鎳基高溫合金試樣表面進(jìn)行毛化及清洗等預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :10 的模壓薄片，然后依次熔覆Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :5、1 2的模壓薄片。 激光熔覆采用SLCF-X12 X 25型(X)2激光加工機(jī)，熔覆時(shí)氬氣保護(hù)，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為1200 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為300 mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。這樣通過四次激光熔覆后就在鎳基高溫合金表面得到納米Cr2C3陶瓷增強(qiáng)顆粒沿厚度方向逐漸增加的MCr基梯度高溫耐磨涂層。
本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)在技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征在于該方法包括下列步驟步驟1、采用機(jī)械復(fù)合法把若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末制備成包覆型復(fù)合粉末，所述包覆型復(fù)合粉末為納米陶瓷顆粒包覆在微米金屬粉末周圍且納米陶瓷顆粒分散均勻，若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末中，納米陶瓷顆粒的含量逐漸增加；步驟2、利用模壓法壓制激光熔覆薄片；步驟3、利用多層激光熔覆的方法制備納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述的機(jī)械復(fù)合法指的是高能球磨法。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述的模壓法制片為利用壓力機(jī)或壓片機(jī)在模具中將包覆型復(fù)合粉末壓制成一定厚度的激光熔覆薄片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述步驟3具體為先在經(jīng)預(yù)處理的基體表面熔覆一層含有少量納米陶瓷顆粒的熔覆薄片，接著對(duì)熔覆表面進(jìn)行處理，然后在已處理的熔覆表面再熔覆納米陶瓷顆粒含量逐漸增加的熔覆薄片，直至納米陶瓷顆粒含量最多的熔覆薄片熔覆完畢，就得到納米陶瓷顆粒沿厚度方向逐漸增加的梯度涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述的基體預(yù)處理為對(duì)基體表面進(jìn)行毛化處理并清洗干凈，毛化方法包括噴砂毛化、切削加工毛化及特種加工毛化中的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述的熔覆層表面處理為對(duì)非最終熔覆表面進(jìn)行平整化處理、清洗干凈并干燥，平整化處理采用機(jī)械磨削或手工磨削。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述微米金屬粉末為McrAlY，M=Ni和/或Co，所述納米陶瓷顆粒為納米Al2O3 陶瓷顆粒，該方法的具體步驟包括①把質(zhì)量比分別為1:99、1 49,1 19,1 9的納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Al2O3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在MCrAlY粉末四周的包覆型復(fù)合粉末；②在壓力機(jī)上采用模壓法把上述不同配比的包覆型復(fù)合粉末分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至一定尺寸的TiAl合金、TC4鈦合金或鎳基高溫合金基體表面進(jìn)行毛化及清洗預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :99的熔覆薄片，然后依次熔覆Al2O3陶瓷顆粒和MCrAlY合金粉末配比為1 :49、 1 :19、1 :9的熔覆薄片。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為950 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為MO mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，其特征是所述微米金屬粉末為MCr，所述納米陶瓷顆粒為納米Cr2C3陶瓷顆粒，該方法的具體步驟包括①把質(zhì)量比分別為1:10、1 :5、1 2的納米Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末在高能球磨機(jī)上機(jī)械復(fù)合成納米Cr2C3陶瓷顆粒分散均勻且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型復(fù)合粉末；②在壓力機(jī)上采用模壓法把上述不同配比的微納米復(fù)合粒子分別壓制成顆粒與顆粒之間牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；③激光熔覆前對(duì)電火花線切割至25mmX8 mmX8 mm的TiAl合金、TC4鈦合金或鎳基高溫合金試樣表面進(jìn)行毛化及清洗預(yù)處理，首先在基體表面熔覆納米Cr2C3陶瓷顆粒和 NiCr合金粉末配比為1 10的熔覆薄片，然后依次熔覆Cr2C3陶瓷顆粒和NiCr合金粉末配比為1 :5、1 2的熔覆薄片，在激光熔覆過程中通過控制激光熔覆工藝參數(shù)使熔覆薄片完全熔化而底層材料/基體微熔，激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率為1200 w，光斑尺寸為5 mmX3 mm的矩形光斑，激光掃描方向沿光斑3 mm側(cè)，掃描速度為300 mm/min，搭接掃描兩道，搭接量為20%ο全文摘要
一種激光熔覆納米陶瓷顆粒增強(qiáng)的金屬基梯度涂層制備方法，包括下列步驟采用機(jī)械復(fù)合法把若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末制備成納米粒子分散均勻的包覆型復(fù)合粉末，若干組具有一定配比的微米金屬粉末與納米陶瓷顆粒的混合粉末中，納米陶瓷顆粒的含量逐漸增加；利用模壓法壓制激光熔覆薄片；利用多層激光熔覆的方法制備納米顆粒沿厚度方向逐漸增加的金屬基梯度涂層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于通過納米顆粒的彌散強(qiáng)化機(jī)制可使其具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性再加上梯度涂層的應(yīng)力緩和機(jī)制從而有望解決熔覆層易開裂的問題；納米顆粒及梯度涂層的強(qiáng)化作用使其具有優(yōu)異的性能，從而可應(yīng)用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等關(guān)鍵零部件表面。
文檔編號(hào)B22F7/02GK102441672SQ20111035115
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者周杏花, 王東生 申請(qǐng)人:銅陵學(xué)院