一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層及其制備方法
【專利摘要】一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層及其制備方法，屬于材料表面工程【技術(shù)領(lǐng)域】。該表面分級(jí)復(fù)合材料界面層由分散的硬質(zhì)第二相和包覆的金屬粘結(jié)相的表面復(fù)合材料組成，表面分級(jí)復(fù)合材料界面層為一具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元構(gòu)成的表面復(fù)合材料，電火花放電采用硬質(zhì)第二相粒徑10nm-50μm和致密度50-90％的復(fù)合材料電極，在惰性或活性氣氛中放電，逐點(diǎn)逐層沉積硬質(zhì)第二相次級(jí)單元，制備表面分級(jí)復(fù)合材料。該復(fù)合材料界面層利用具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元增加界面層剛度，提高了整體涂層的強(qiáng)度；金屬粘結(jié)相在變形過程中抑制變形局部化，增強(qiáng)了涂層的塑性變形能力，涂層具有匹配的強(qiáng)塑性性能；表面分級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特殊、制備方法簡單，易于工業(yè)化應(yīng)用推廣。
【專利說明】一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層及其制備方法，用于金屬和金屬基復(fù)合 材料零部件耐磨損抗沖擊，屬于材料表面工程【技術(shù)領(lǐng)域】。 技術(shù)背景
[0002] 隨著重大工程裝備的關(guān)鍵金屬零部件對(duì)耐磨損抗沖擊性能要求的提高，耐磨損抗 沖擊防護(hù)涂層作為一種主要的防護(hù)手段，不斷面臨著新的挑戰(zhàn)。例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫防 護(hù)涂層、核電站核主泵密封和軸承部件耐磨抗沖擊涂層，寬厚板連鑄機(jī)結(jié)晶器抗沖刷涂層 等。由于傳統(tǒng)耐磨損抗沖擊防護(hù)涂層的強(qiáng)度與韌性難以兼顧，高硬度通常伴隨低韌性，始終 存在著涂層與基體間界面強(qiáng)塑性性能不匹配的難題，而且涂層與基體之間界面失配產(chǎn)生的 內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致涂層易于開裂，甚至剝落失效。因此，發(fā)展低界面應(yīng)力且強(qiáng)塑性匹配的復(fù)合材 料涂層十分必要。
[0003] 1995 年，Singh 等美國專利 "Method for increasing the surface area of ceramics, metals and composites"（US5473138)，發(fā)明了一種增加陶瓷、金屬和復(fù)合材料 表面面積，以及粗糙度精度的激光加工方法。1996年，又在美國專利"Method of applying a laser beam creating microscale surface structures prior to deposition of film for increased adhesion"（US5558789)中，利用一種金屬、陶瓷和復(fù)合材料表面激光加工 的半周期粗糙化結(jié)構(gòu)，增加薄膜或涂層與金屬、陶瓷和復(fù)合材料的結(jié)合力。隨后，他們?cè)?〈〈Science〉〉上發(fā)表了"Engineered interfaces for adherent diamond coatings on large thermal-expansion coefficient mismatched substrates"論文，提出 了不同于傳統(tǒng)的復(fù)合 材料和功能梯度材料的表面復(fù)合材料的概念，所報(bào)告的表面復(fù)合材料涂層，其三維復(fù)合結(jié) 構(gòu)只存在于近表面區(qū)，可以通過表面改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)。該表面復(fù)合材料涂層的顯著特點(diǎn)是基 體與涂層界面具有三維構(gòu)型，有效改善了涂層與基體間界面失配產(chǎn)生的應(yīng)力狀態(tài)。表面復(fù) 合材料涂層的低界面應(yīng)力狀態(tài)，有利于提高涂層的抗沖擊性能，但是界面強(qiáng)塑性匹配問題 仍然存在。
[0004] 受自然材料微結(jié)構(gòu)特征的啟發(fā)，具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的納米材料強(qiáng)度可以得到顯著提 高，而塑性沒有降低甚至也相應(yīng)提高。分級(jí)結(jié)構(gòu)通常指由納米至微米尺度顆粒或纖維通過 一定作用形成次級(jí)結(jié)構(gòu)單元，再通過一定作用形成特殊有序結(jié)構(gòu)的微米及以上尺度材料。 1993 年，Lakes 率先在《Nature》發(fā)表了 "Materials with structural hierarchy" 論文， 介紹了分級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)體材料性能產(chǎn)生的本質(zhì)性影響。2008年，Bonderer在《Science》上發(fā)表 了''Bioinspired design and assembly of platelet reinforced polymer films，'論文，受： 到自然生物材料貝殼的啟發(fā)發(fā)展出的一種聚合物增強(qiáng)涂層。2010年，Ji和Gao在《Annual Review of Materials Research》的綜述論文"Mechanical principles of biological nanocomposites"，強(qiáng)調(diào)基于仿生分級(jí)結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)思想備受人們的關(guān)注和廣泛研究，并成 為解決材料高強(qiáng)度、低韌性矛盾的有效途徑之一。自然界中的許多具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的生物材 料均表現(xiàn)出高強(qiáng)度及良好的斷裂韌性，2010年，Rabiei在《Acta Biomaterialia》上發(fā)表了 "Failure mode transition in nacre and bone-like materials" 的論文，指出貝殼材料 中的分級(jí)結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致其具有很大剛度的主要因素。2010年，Wilbrink在《Applied Physics Letters〉〉上發(fā)表了 "Scaling of strength and ductility in bio-inspired brick and mortar composites"的論文，指出存在于貝殼材料中的蛋白質(zhì)可以在貝殼材料變形過程中 耗散大量能量，同時(shí)蛋白質(zhì)的存在還可以有效抑制變形局部化，極大地提高了貝殼的韌性， 從而使貝殼材料具有良好的強(qiáng)塑性匹配。而對(duì)于晶體材料，其塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及 其相互作用等演化方式實(shí)現(xiàn)。2002年，Zbib在《International Journal of Plasticity》上 發(fā)表了"A multiscale model of plasticity"的論文，指出在外載荷作用下，隨著晶體內(nèi)部 位錯(cuò)源都集中在某個(gè)活躍滑移系內(nèi)，材料中開始相應(yīng)地發(fā)生塑性變形及能量局部化，這些 局部化區(qū)域大多表現(xiàn)為變形帶形式，由于塑性變形的非均勻性，在變形帶中存在應(yīng)力-應(yīng) 變集中，這些區(qū)域往往是進(jìn)一步發(fā)生裂紋形核、孔洞增長等失效行為的位置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層及其 制備方法，通過在表面復(fù)合材料涂層中引入具有分級(jí)結(jié)構(gòu)形成表面分級(jí)復(fù)合材料界面層， 利用調(diào)整表面分級(jí)復(fù)合材料的分級(jí)結(jié)構(gòu)尺度和硬質(zhì)第二相次級(jí)單元分布模式，保證界面區(qū) 較強(qiáng)剛度的同時(shí)，抑制由位錯(cuò)塞積導(dǎo)致的局部變形帶產(chǎn)生，保證塑性流動(dòng)的持續(xù)和均勻進(jìn) 行，提升硬質(zhì)第二相和粘結(jié)相整體的塑性變形能力，從而達(dá)到表面涂層與基體間界面具有 良好的強(qiáng)塑性匹配的目的。
[0006] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，包括分散的硬質(zhì)第二 相和包覆的金屬粘結(jié)相的表面復(fù)合材料，表面復(fù)合材料是硬質(zhì)第二相在近表面區(qū)呈空間有 序分布的復(fù)合材料，硬質(zhì)第二相為粒徑l〇nm-50 μ m的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物 顆粒，金屬粘結(jié)相為高潤濕性的鐵、鈷、鎳純金屬或以鐵、鈷、鎳為基的合金，硬質(zhì)第二相與 金屬粘結(jié)相體積比（35-90)465-10);所述表面分級(jí)復(fù)合材料為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二 相次級(jí)單元，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元的中心間距為D，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大寬度為L，對(duì) 應(yīng)關(guān)系為D = (1-2)L，各硬質(zhì)第二相次級(jí)單元層厚不小于該硬質(zhì)第二相次級(jí)單元內(nèi)分散的 硬質(zhì)第二相的粒徑，表面分級(jí)復(fù)合材料界面層厚度Η為10-500 μ m，與硬質(zhì)第二相次級(jí)單元 最大寬度L之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為Η = (0.2-2) L。
[0007] 所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法采用的制備步驟如下：
[0008] (a)依據(jù)所述具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元構(gòu)成的表面復(fù)合材料的要求， 采用真空燒結(jié)或惰性氣氛或還原氣氛燒結(jié)，制備用于電火花放電沉積的硬質(zhì)第二相粒徑、 體積比和致密度系列變化的復(fù)合材料電極；
[0009] (b)依次采用所述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行逐點(diǎn)逐層電火花 放電，沉積具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元，在惰性或活性氣氛中脈沖放電，單脈沖能 量0. 001-10J，脈沖頻率50-5000HZ，脈沖電流50-1000A，脈沖寬度1-1000 μ S，調(diào)整電極掃 描移動(dòng)速度、橫向平移步長、自轉(zhuǎn)速度、振動(dòng)頻率與電火花放電參數(shù)相匹配，逐點(diǎn)逐層沉積 獲得所述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層；
[0010] (c)采用常規(guī)涂層技術(shù)在所述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上制備不同于金屬基體、 具有更高體積比硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層。 toon] 所述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行逐點(diǎn)逐層電火花放電沉積硬 質(zhì)第二相次級(jí)單元，按照硬質(zhì)第二相次級(jí)單元中硬質(zhì)第二相粒徑l〇nm-50 μ m從大到小、與 金屬粘結(jié)相體積比（35-90):(65-10)從低到高的順序，依次選用相應(yīng)的復(fù)合材料電極逐點(diǎn) 逐層電火花放電沉積硬質(zhì)第二相次級(jí)單元。
[0012] 所述系列變化的復(fù)合材料電極按較大粒徑硬質(zhì)第二相對(duì)應(yīng)較低粒徑硬質(zhì)第二相 體積比配制燒結(jié)原料，在真空環(huán)境、惰性氣氛或還原氣氛保護(hù)下進(jìn)行單軸加壓或熱等靜壓 燒結(jié)，改變燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力，獲得一系列燒結(jié)致密度為50-90%、直徑為2-10mm的復(fù)合 材料電極。
[0013] 所述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行電火花放電沉積，在惰性或活 性工作氣氛中放電，對(duì)于硬質(zhì)第二相為碳化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、甲烷、乙炔或 者含碳活性氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相為氧化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、氧氣或者含氧活 性氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相為氮化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、氮?dú)狻睔饣蛘吆钚?氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相為硼化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、三氯化硼和氫氣混合氣或者 含硼活性氣體。
[0014] 所述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或熱噴涂技術(shù) 制備的表面硬質(zhì)涂層厚度為10-1000 μ m。
[0015] 采用上述的技術(shù)方案，依照硬質(zhì)第二相次級(jí)單元的分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，按較大粒 徑硬質(zhì)第二相對(duì)應(yīng)較低粒徑硬質(zhì)第二相體積比配制燒結(jié)原料，在真空環(huán)境、惰性氣氛或還 原氣氛保護(hù)下進(jìn)行單軸加壓或熱等靜壓燒結(jié)，改變燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力，燒結(jié)制備一系列 致密度為50-90%、直徑為2-10mm的復(fù)合材料電極。采用系列變化的復(fù)合材料電極在零部 件基體上進(jìn)行逐點(diǎn)逐層電火花放電沉積硬質(zhì)第二相次級(jí)單元，在惰性或活性工作氣氛中放 電，調(diào)整電極在惰性或活性氣氛中的放電參數(shù)，調(diào)整電極掃描移動(dòng)速度、橫向平移步長、自 轉(zhuǎn)速度、振動(dòng)頻率與電火花放電參數(shù)相匹配，控制相鄰兩點(diǎn)放電沉積間距和每一層的沉積 厚度，在零部件表面獲得在近表面區(qū)呈空間有序分布的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元的分級(jí)結(jié)構(gòu)。 采用常規(guī)的涂層技術(shù)在所述的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上制備不同于金屬基體、具有高比 例硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，或根據(jù)具體應(yīng)用要求沉積更厚的表面硬質(zhì)涂層。此外，在電 火花放電沉積前先對(duì)零部件基體材料進(jìn)行常規(guī)的表面預(yù)處理，包括去除表面油污和雜質(zhì)的 清潔處理或噴砂表面清潔和粗糙化處理，獲得潔凈的表面粗糙度Ra = 1?5 μ m的基體表 面后進(jìn)行表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備。
[0016] 本發(fā)明的有益效果是：這種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二 相次級(jí)單元，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元的中心間距為D，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大寬度為L，對(duì) 應(yīng)關(guān)系為D = (1_2)L，各硬質(zhì)第二相次級(jí)單元層厚不小于該硬質(zhì)第二相次級(jí)單元內(nèi)分散 的硬質(zhì)第二相的粒徑，表面分級(jí)復(fù)合材料界面層厚度Η為10-500 μ m，與硬質(zhì)第二相次級(jí) 單元最大寬度L之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為H = (0.2-2)L。該復(fù)合材料界面層利用具有分級(jí)結(jié)構(gòu) 的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元增加界面層剛度，提高了整體涂層的強(qiáng)度；金屬粘結(jié)相在變形過程 中抑制變形局部化，增強(qiáng)了涂層的塑性變形能力，涂層具有匹配的強(qiáng)塑性性能；表面分級(jí)復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)特殊、制備方法簡單，易于工業(yè)化應(yīng)用推廣。其另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：利用燒結(jié)制備的 50-90 %低致密度復(fù)合材料電極放電，低致密度復(fù)合電極材料的硬質(zhì)第二相與金屬粘結(jié)相 界面弱結(jié)合，可在比常規(guī)電火花沉積低的單脈沖能量范圍放電，獲得電極材料金屬粘結(jié)相 熔融包覆未熔或微熔硬質(zhì)第二相的轉(zhuǎn)移沉積，控制硬質(zhì)第二相與金屬粘結(jié)相或金屬零部件 基體之間的反應(yīng)程度，克服常規(guī)90%以上的高致密度電極材料的電火花沉積所需放電能量 偏高，易導(dǎo)致硬質(zhì)第二相燒損或與金屬粘結(jié)相、金屬基體過度反應(yīng)，獲得硬質(zhì)第二相次級(jí)單 元具有與所述系列變化的復(fù)合電極材料相近的硬質(zhì)第二相粒徑分布，粒徑分布差異控制在 ±10%范圍內(nèi)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 本發(fā)明附圖1為采用電火花沉積獲得的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層結(jié)構(gòu)示意圖，附 圖2為在表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上完成表面硬質(zhì)涂層制備的結(jié)構(gòu)示意圖，附圖3為一種 具有5級(jí)結(jié)構(gòu)的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層結(jié)構(gòu)示意圖，附圖4為具有一種具有4級(jí)結(jié)構(gòu)的 表面分級(jí)復(fù)合材料界面層結(jié)構(gòu)示意圖。下面通過對(duì)附圖的說明，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的細(xì)節(jié)。
[0018] 圖1中所示，表面分級(jí)復(fù)合材料界面層由分散的硬質(zhì)第二相（1)和包覆的粘結(jié) 相（2)表面復(fù)合材料組成，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)在近表面區(qū)呈空間有序分布。硬質(zhì)第 二相次級(jí)單元中心間距為D，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大寬度為L，較優(yōu)化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為D = (1-2)L，各次級(jí)單元層厚不小于該次級(jí)單元內(nèi)分散的硬質(zhì)第二相的粒徑，硬質(zhì)第二相為粒 徑10nm-50 μ m的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物等非金屬顆粒，粘結(jié)相為高潤濕性的 金屬，如鐵、鈷、鎳及其合金等，硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相體積比（35-90) : ￠5-10)，表面分級(jí)復(fù) 合材料界面層厚度Η為10-500 μ m，與硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大寬度L (第1級(jí)）之間較優(yōu) 化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為Η = (0.2-2) L。
[0019] 圖2中所示為在表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上完成表面硬質(zhì)涂層制備后的結(jié)構(gòu)示 意圖。采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或熱噴涂等常規(guī)的涂層技術(shù)，在表面分級(jí)復(fù)合材 料界面層上制備不同于金屬基體、具有更高比例硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，涂層厚度 10-1000 μ m，也可以根據(jù)需要沉積更厚的表面硬質(zhì)涂層。
[0020] 圖3中所示的一種具有5級(jí)結(jié)構(gòu)的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層示意圖，從第1級(jí)至 第5級(jí)的硬質(zhì)第二相粒徑分別為40 μ m、20 μ m、10 μ m、4 μ m、200nm，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元間 距和最大寬度相等：D = L = 100 μ m，界面層厚度Η = 74 μ m，對(duì)應(yīng)的第二相與粘結(jié)相的體 積比分別為 50:50、60:40、70:30、80:20、90:10。
[0021] 圖4中所示的一種具有4級(jí)結(jié)構(gòu)的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層示意圖，從第1級(jí)至 第4級(jí)的硬質(zhì)第二相粒徑分別為10 μ m、6 μ m、2 μ m、1 μ m，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元間距和最大 寬度相等：D = L = 60 μ m、界面層厚度Η = 21 μ m，對(duì)應(yīng)的第二相與粘結(jié)相的體積比分別為 50:50、60:40、70:30、80:20。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步說明本發(fā)明的細(xì)節(jié)：
[0023] 采用系列變化的硬質(zhì)第二相粒徑、含量和致密度的復(fù)合材料電極進(jìn)行電火花沉 積，制備用于金屬零部件耐磨損抗沖擊的具有強(qiáng)塑性匹配性能的表面分級(jí)復(fù)合材料界面 層，該復(fù)合材料界面層在近表面附近具有空間三維有序分布的硬質(zhì)材料第二相顆粒組成的 分級(jí)結(jié)構(gòu)第二相單元，能夠獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，在界面層上制備硬質(zhì)涂層，能保持此涂層 體系較高強(qiáng)度基礎(chǔ)上，韌性得到極大的改善，可保證關(guān)鍵機(jī)械零部件在極端苛刻工作條件 下長期正常使用的使役性能和可靠性。
[0024] 實(shí)施例1
[0025] 利用本發(fā)明在AISI 304L奧氏體不銹鋼基體上制備有150μπι厚具有5級(jí)分級(jí) 結(jié)構(gòu)的WC硬質(zhì)第二相、Co金屬粘結(jié)相的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，制備步驟如下：首先 對(duì)AISI 304L不銹鋼基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用80目 剛玉砂噴砂處理10秒/cm2 ;米用硬質(zhì)第二相粒徑分別為12 μ m、6 μ m、2 μ m、500nm、100nm 和對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比為50:50、60:40、70:30、80 :20、90:10的一系列變 化的真空燒結(jié)WC-Co圓柱電極，電極直徑均為3mm，致密度依次為75%、70%、65%、60%、 55% ;上述電極對(duì)應(yīng)的電火花放電單脈沖能量分別選用1J、0. 5J、0. 25J、0. 1J、0. 05J，脈沖 寬度 100μ s、50y s、25y s、12. 5μ s、10y s，脈沖電流 20(^、20(^、20(^、16(^、10(^，脈沖頻 率200Hz、200Hz、500Hz、500Hz、1000Hz，相對(duì)于AISI 304L奧氏體不銹鋼基體的電極掃描 移動(dòng)速度1800-9000mm/min、橫向平移步長0. 15mm、自轉(zhuǎn)速度1200r/min，振動(dòng)頻率600Hz， 放電過程中吹氬氣保護(hù)，逐點(diǎn)逐層放電沉積依次形成硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比分別為 50 :50、60:40、70:30、80:20、90 :10的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大 寬度L = 120 μ m，中心距D = 150 μ m，界面層厚度Η = 150 μ m ;利用超音速火焰噴涂技術(shù) 在具有表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的AISI 304L不銹鋼表面進(jìn)行噴涂Co金屬粘結(jié)相包覆的 WC硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)第二相粒徑100nm、硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比為 90:10,表面層與界面層總厚度300 μ m。
[0026] 實(shí)施例2
[0027] 利用本發(fā)明在17-4PH馬氏體不銹鋼基體上制備有100 μ m厚具有4級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)的 WC硬質(zhì)第二相、Ni金屬粘結(jié)相的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，制備步驟如下：首先對(duì)17-4PH 不銹鋼基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用80目剛玉砂噴砂處理 10秒/cm2 ;采用硬質(zhì)第二相粒徑分別為10 μ m、5 μ m、2 μ m、400nm和對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)第二相與粘 結(jié)相的體積比為50:50、60:40、70 :30、80:20的一系列變化的氬氣保護(hù)燒結(jié)WC-Ni圓柱電 極，電極直徑均為5mm，致密度依次為80 %、80 %、70 %、60 % ;上述電極對(duì)應(yīng)的電火花放電 單脈沖能量分別選用2J、1J、0. 5J、0. 2J，脈沖寬度100μ s、50y s、50y s、25y s，脈沖電流 400六、40(^、20(^、16(^，脈沖頻率100取、100取、500取、500取，相對(duì)于17-4?!1馬氏體不銹鋼 基體的電極掃描移動(dòng)速度900-4500mm/min、橫向平移步長0. 15mm、自轉(zhuǎn)速度1000r/min，振 動(dòng)頻率400Hz，放電過程中吹氬氣保護(hù)，逐點(diǎn)逐層放電沉積依次形成硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的 體積比分別為50 :50、60:40、70:30、80:20的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)第二相次級(jí)單 元最大寬度L = 100 μ m，中心距D = 150 μ m，界面層厚度Η = 100 μ m ;利用超音速火焰噴 涂技術(shù)在具有表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的17-4PH不銹鋼表面進(jìn)行噴涂Ni金屬粘結(jié)相包覆 的WC硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)第二相粒徑100nm、硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比 為88:12,表面層與界面層總厚度200 μ m。
[0028] 實(shí)施例3
[0029] 利用本發(fā)明在Ti6A14V鈦合金基體上制備有200 μ m厚具有5級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu)TiN硬 質(zhì)第二相、NiTi合金粘結(jié)相的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，制備步驟如下：首先對(duì)Ti6A14V 鈦合金基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用60目剛玉砂噴砂處 理5秒/cm2 ;米用硬質(zhì)第二相粒徑分別為20 μ m、10 μ m、4 μ m、1 μ m、200nm和對(duì)應(yīng)的硬質(zhì) 第二相與粘結(jié)相的體積比為35:65、45:55、55:45、65:35、75:25的一系列變化的氮?dú)獗Ｗo(hù) 燒結(jié)TiN-Ni60圓柱電極，電極直徑均為5mm，致密度依次為80%、70%、60%、50%、50% ; 上述電極對(duì)應(yīng)的電火花放電單脈沖能量分別選用〇. 5J、0. 25J、0. 1J、0. 05J、0. 025J，脈沖 寬度 50μ s、25y s、25y s、20y s、10y s，脈沖電流 200A、200A、100A、100A、100A，脈沖頻 率100Hz、100Hz、100Hz、200Hz、300Hz，相對(duì)于Ti6A14V鈦合金基體的電極掃描移動(dòng)速度 1800-5400mm/min、橫向平移步長0. 3mm、自轉(zhuǎn)速度1000r/min，振動(dòng)頻率400Hz，電極自轉(zhuǎn)速 度1500r/min，放電過程中吹氮?dú)獗Ｗo(hù)，逐點(diǎn)逐層放電沉積依次形成硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的 體積比分別為35:65、45 :55、55:45、65:35、75:25的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)第二相 次級(jí)單兀取大覽度L = 200 μ m，中心距D = 300 μ m，界面層厚度Η = 200 μ m ;利用氧乙塊 焰熱噴涂技術(shù)在具有表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的Ti6A14V鈦合金表面進(jìn)行噴涂NiTi合金 粘結(jié)相包覆的TiN硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)第二相粒徑50nm、硬質(zhì)第二相與粘結(jié) 相的體積比為85:15,表面層與界面層總厚度400 μ m。
[0030] 實(shí)施例4
[0031] 利用本發(fā)明在AISI 316L奧氏體不銹鋼基體上制備有150 μ m厚具有4級(jí)分級(jí) 結(jié)構(gòu)的A1203硬質(zhì)第二相、Ni60金屬粘結(jié)相的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，制備步驟如下： 首先對(duì)AISI 316L不銹鋼基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用80 目剛玉砂噴砂處理5秒/cm2 ;米用硬質(zhì)第二相粒徑分別為20 μ m、10 μ m、3 μ m、l μ m和對(duì) 應(yīng)的硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比為50:50、60:40、70:30、80:20的一系列變化的真空燒 結(jié)Al 203-Ni60圓柱電極，電極直徑均為5mm，致密度依次為75%、70%、65%、60%、55% ; 上述電極對(duì)應(yīng)的電火花放電單脈沖能量分別選用1J、0. 5J、0. 25J、0. 1J、0.05J，脈沖寬度 100μ s、50y s、25y s、12. 5μ s、10y s，脈沖電流 200A、200A、200A、100A、100A，脈沖頻率 200Hz、200Hz、500Hz、500Hz、1000Hz，相對(duì)于AISI 316L奧氏體不銹鋼基體的電極掃描移動(dòng) 速度1800-9000mm/min、橫向平移步長0. 15mm、自轉(zhuǎn)速度1200r/min，振動(dòng)頻率600Hz，放 電過程中吹氬氣保護(hù)，逐點(diǎn)逐層放電沉積依次形成硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比分別為 50 :50、60:40、70:30、80:20的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元最大寬度L =150 μ m，中心距D = 150 μ m，界面層厚度Η = 150 μ m ;利用等離子體噴涂技術(shù)在具有表 面分級(jí)復(fù)合材料界面層的AISI 316L不銹鋼表面進(jìn)行噴涂A1203表面硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)第二相 粒徑100nm，表面層與界面層總厚度350 μ m。
[0032] 實(shí)施例5
[0033] 利用本發(fā)明在lCrl3馬氏體不銹鋼基體上制備有300 μ m厚具有5級(jí)分級(jí)結(jié)構(gòu) FeB硬質(zhì)第二相、lCrl3馬氏體不銹鋼粘結(jié)相的表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，制備步驟如下： 首先對(duì)lCrl3不銹鋼基體待處理表面做常規(guī)清潔處理，去除表面油污和雜質(zhì)，采用60目剛 玉砂噴砂處理5秒/cm 2 ;米用硬質(zhì)第二相粒徑分別為30 μ m、15 μ m、5 μ m、3 μ m、l μ m和對(duì) 應(yīng)的硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的體積比為40:60、50:50、60:40、70:30、80:20的一系列變化的 真空燒結(jié)FeB-lCrl3圓柱電極，電極直徑均為5mm，致密度依次為85%、75%、65%、60%、 55% ;上述電極對(duì)應(yīng)的電火花放電單脈沖能量分別選用1J、0. 5J、0. 5J、0. 2J、0. 05J，脈沖 寬度 50μ s、25y s、50y s、25y s、10y s，脈沖電流 400A、400A、200A、160A、100A，脈沖頻 率50抱、50取、100取、200取、250取，相對(duì)于1013馬氏體不銹鋼基體的電極掃描移動(dòng)速度 900-4500mm/min、橫向平移步長0. 3mm、自轉(zhuǎn)速度1000r/min，振動(dòng)頻率400Hz，電極自轉(zhuǎn)速 度1500r/min，放電過程中吹氬氣保護(hù)，逐點(diǎn)逐層放電沉積依次形成硬質(zhì)第二相與粘結(jié)相的 體積比分別為40:60、50:50、60:40、70:30、80:20的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元結(jié)構(gòu)，硬質(zhì)第二相 次級(jí)單兀取大覽度L = 300 μ m，中心距D = 300 μ m，界面層厚度Η = 300 μ m ;利用氧乙塊 火焰噴焊技術(shù)在具有表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的lCrl3馬氏體不銹鋼表面進(jìn)行噴焊lCrl3 粘結(jié)相包覆的FeB硬質(zhì)第二相的表面硬質(zhì)涂層，硬質(zhì)第二相粒徑500nm、硬質(zhì)第二相與粘結(jié) 相的體積比為85:15,表面層與界面層總厚度500 μ m。
【權(quán)利要求】
1. 一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層，包括分散的硬質(zhì)第二相（1)和包覆的金屬粘結(jié)相 (2) 的表面復(fù)合材料，表面復(fù)合材料是硬質(zhì)第二相在近表面區(qū)呈空間有序分布的復(fù)合材料， 硬質(zhì)第二相（1)為粒徑l〇nm-50 μ m的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物顆粒，金屬粘結(jié) 相（2)為高潤濕性的鐵、鈷、鎳純金屬或以鐵、鈷、鎳為基的合金，硬質(zhì)第二相（1)與金屬粘 結(jié)相（2)體積比（35-90) : (65-10);其特征在于：所述表面分級(jí)復(fù)合材料為具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的 硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)的中心間距為D，硬質(zhì)第二相次級(jí)單元 (3) 最大寬度為L，對(duì)應(yīng)關(guān)系為D = (1-2) L，各硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)層厚不小于該硬質(zhì) 第二相次級(jí)單元（3)內(nèi)分散的硬質(zhì)第二相（1)的粒徑，表面分級(jí)復(fù)合材料界面層厚度Η為 10-500 μ m，與硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)最大寬度L之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為Η = (0.2-2) L。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法，其特征在于：采 用的制備步驟如下： (a) 依據(jù)所述具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)構(gòu)成的表面復(fù)合材料的要求， 采用真空燒結(jié)或惰性氣氛或還原氣氛燒結(jié)，制備用于電火花放電沉積的硬質(zhì)第二相（1)粒 徑、體積比和致密度系列變化的復(fù)合材料電極； (b) 依次采用所述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行逐點(diǎn)逐層電火花放 電，沉積具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)，在惰性或活性氣氛中脈沖放電，單脈沖 能量0. 001-10J，脈沖頻率50-5000HZ，脈沖電流50-1000A，脈沖寬度1-1000 μ s，調(diào)整電極 掃描移動(dòng)速度、橫向平移步長、自轉(zhuǎn)速度、振動(dòng)頻率與電火花放電參數(shù)相匹配，逐點(diǎn)逐層沉 積獲得所述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層； (c) 采用常規(guī)涂層技術(shù)在所述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上制備不同于金屬基體、具有 更高體積比硬質(zhì)第二相（1)的表面硬質(zhì)涂層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法，其特征在于：所 述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行逐點(diǎn)逐層電火花放電沉積硬質(zhì)第二相次 級(jí)單元（3)，按照硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)中硬質(zhì)第二相（1)粒徑10nm-50 μ m從大到小、與 金屬粘結(jié)相（2)體積比（35-90):(65-10)從低到高的順序，依次選用相應(yīng)的復(fù)合材料電極 逐點(diǎn)逐層電火花放電沉積硬質(zhì)第二相次級(jí)單元（3)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法，其特征在于：所 述系列變化的復(fù)合材料電極按較大粒徑硬質(zhì)第二相（1)對(duì)應(yīng)較低粒徑硬質(zhì)第二相（1)體積 比配制燒結(jié)原料，在真空環(huán)境、惰性氣氛或還原氣氛保護(hù)下進(jìn)行單軸加壓或熱等靜壓燒結(jié)， 改變燒結(jié)溫度和燒結(jié)壓力，獲得一系列燒結(jié)致密度為50-90%、直徑為2-10mm的復(fù)合材料 電極。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法，其特征在于：所 述系列變化的復(fù)合材料電極在零部件基體上進(jìn)行電火花放電沉積，在惰性或活性工作氣氛 中放電，對(duì)于硬質(zhì)第二相（1)為碳化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、甲烷、乙炔或者含碳 活性氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相（1)為氧化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、氧氣或者含氧活性 氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相（1)為氮化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、氮?dú)?、氨氣或者含氮?性氣體；對(duì)于硬質(zhì)第二相為硼化物的電極，所述工作氣氛為氬氣、三氯化硼和氫氣混合氣或 者含硼活性氣體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種表面分級(jí)復(fù)合材料界面層的制備方法，其特征在于：所 述表面分級(jí)復(fù)合材料界面層上采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或熱噴涂技術(shù)制備的表面 硬質(zhì)涂層厚度為10-1000 μ m。
【文檔編號(hào)】C23C26/02GK104087932SQ201410264792
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月14日
【發(fā)明者】雷明凱, 朱小鵬, 朱寶, 王桂芹, 李昱鵬 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)