一種利用激光輔助shs工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種制備熔覆涂層的方法。
【背景技術】
[0002]碳纖維增強熱塑性復合材料(Fiber Reinforced Thermo Plastics，簡稱CRTP)具有比強度和比剛度高，可設計性強，抗疲勞斷裂性能好，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好，便于大面積整體成形以及特殊的電磁性能等獨特的優(yōu)點，在航空航天、汽車等高新制造領域發(fā)揮越來越重要的作用。
[0003]CRTP材料中，雖然碳纖維耐高溫，但基體樹脂的熔點較低，在200?300°C開始軟化，常用熱塑性樹脂為聚對苯二甲酸乙二醇脂、聚苯硫醚、聚醚酮和聚醚醚酮等。聚對苯二甲酸乙二醇脂的熔點為270 °C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為69 °C ;聚苯硫醚的熔點為288 °C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為85°C ;聚醚酮的熔點為376°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為165°C ;聚醚醚酮的熔點為334°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為145°C ;CRTP材料中軟化后樹脂對碳纖維的約束能力下降，造成原有編織方式被破壞，整體形貌變形，其耐熱性能差。并且其低耐磨性能的缺點也制約了它的應用。
[0004]傳統(tǒng)的方法有等離子噴涂、濺射鍍膜、貼膜法等方法制備金屬涂層。傳統(tǒng)方法存在的主要問題一是現(xiàn)有涂層沉積速率較低，成本高，并且難以實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)表面的熔覆；二是涂層的附著力較低，除等離子噴涂外其他方法金屬涂層只是在CFRP材料表面固化、貝占合，并沒有發(fā)生化學反應，實現(xiàn)其原子間的結(jié)合。碳纖維和樹脂基體熱膨脹系數(shù)低于大多數(shù)金屬材料，例如，C的密度為1.4?1.758*(^3，線膨脹系數(shù)為0?21(1.10 6，熔點為3600?3800°C，熱導率為60?210W.m 1.K \彈性模量為20?lOOGpa ；Ti合金的密度為4.5?4.76/g.cm 3，線膨脹系數(shù)為8.4?9.9K 1.10 6，熔點為1500?1700°C，熱導率為I6W11.K1，彈性模量為110?176Gpa;Ni合金的密度為8.3g.cm 3，線膨脹系數(shù)為16.3K 1.10 6，熔點為1455。。，彈性模量為206/Gpa，A1合金的密度為2.72?2.82g.cm 3，線膨脹系數(shù)為23.2K1.10 6，熔點為500?635°C，熱導率為193W.m 1.K \彈性模量為72Gpa0
[0005]CFRP復合材料本身的結(jié)構(gòu)特點和性能上的特殊性決定了對其表面熔覆涂層時會遇到許多問題，主要有以下幾點:一、從高溫到低溫冷卻過程中涂層易產(chǎn)生較大的殘余應力，使其極易在熱應力的作用下產(chǎn)生裂紋甚至是涂層與金屬剝離；二、潤濕性不好，大多數(shù)金屬難于潤濕或不能潤濕CFRP復合材料；三、加熱過程會放出大量的氣體，嚴重影響涂層工藝過程的質(zhì)量，導致接頭中產(chǎn)生大量氣孔；四、基體受熱后，樹脂在300°C左右開始玻璃化轉(zhuǎn)變，軟化，若時間較長，材料本身會發(fā)生嚴重形變；五、CFRP復合材料在空氣中400°C左右開始氧化，因此熔覆時必須在真空或惰性氣體保護下進行熔覆試驗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備金屬涂層的方法工藝復雜，接頭強度低，樹脂易發(fā)生變形和成本高的問題，而提供一種利用激光輔助SHS工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法。
[0007]—種利用激光輔助SHS工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法是按以下步驟完成的:
[0008]一、碳纖維增強熱塑性復合材料的前處理:使用砂紙對碳纖維增強熱塑性復合材料的表面進行打磨，得到表面光滑的碳纖維增強熱塑性復合材料；使用無水乙醇對表面光滑的碳纖維增強熱塑性復合材料清洗3次?5次，再在室溫下自然干燥，得到處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料；
[0009]二、將處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料放到行走機構(gòu)上，再將熔覆粉末平鋪在處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料的表面上，并將熔覆粉末壓實，然后將行走機構(gòu)放入到真空室中，并對真空室進行抽真空，當真空室中的真空度為5X10 3時，啟動激光，激光通過真空室頂部中心處的透明玻璃照射到處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料表面上的熔覆粉末上，在激光的輻照功率為50W?100W和行走機構(gòu)的移動速度為0.8m/min?1.5m/min的條件下進行輻照，得到表面形成的熔覆涂層的碳纖維增強熱塑性復合材料，即完成一種利用激光輔助SHS工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法；
[0010]步驟二中所述的熔覆粉末為TC4粉末或T1-Al混合粉末。
[0011]本發(fā)明的原理及優(yōu)點:
[0012]—、本發(fā)明為了在碳纖維增強熱塑性復合材料表面熔覆金屬，采用激光輔助SHS熔覆工藝；其是自蔓延高溫合成技術(SHS)與激光熔覆技術融合產(chǎn)生的一種先進的在金屬表面制備涂層工藝；目前還未見到采用該技術開展樹脂基復合材料表面金屬化的相關報道;
[0013]二、使用本發(fā)明方法，在碳纖維增強熱塑性復合材料表面可以形成熔覆涂層，試驗表明，熔覆粉末在碳纖維增強熱塑性復合材料上潤濕性良好，可以在碳纖維增強熱塑性復合材料表面鋪展，熔覆粉末和碳纖維增強熱塑性復合材料中的樹脂分解生成的C發(fā)生自蔓延反應，并且也會和碳纖維發(fā)生化學反應，使熔覆粉末向碳纖維增強熱塑性復合材料間隙中滲透，并且形成良好的結(jié)合，并且通過對碳纖維和涂層的界面進行觀察，可以看到碳纖維和涂層兩者緊密的連接在一起；
[0014]三、使用本發(fā)明方法在碳纖維增強熱塑性復合材料表面可以形成熔覆涂層，碳纖維增強熱塑性復合材料與其表面上的熔覆涂層的結(jié)合強度為3MPa?4MPa ;
[0015]四、本發(fā)明解決了現(xiàn)有在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備金屬涂層的方法工藝復雜，接頭強度低，樹脂易發(fā)生變形和成本高的問題，可大規(guī)模生產(chǎn)；
[0016]五、激光輔助SHS熔覆其顯著特征是激光熔覆金屬與基體材料本身能夠發(fā)生SHS反應生成陶瓷涂層；本發(fā)明制備的熔覆涂層是在激光輔助作用下自蔓延高溫合成，節(jié)約材料成本；在較低激光功率50W?100W下就可在碳纖維增強熱塑性復合材料表面形成陶瓷涂層，節(jié)省能源2?3倍以上，降低設備成本；在CFRP復合材料表面制備熔覆涂層可綜合改善其耐磨、隔熱、抗高溫、抗沖擊等性能；
[0017]六、利用激光能量和部分熔覆金屬和基體的反應化學熱來使熔覆金屬層熔化，節(jié)約能源和成本；
[0018]七、激光焊接技術具非接觸加工，對待熔覆涂層不產(chǎn)生外力作用，試驗過程在真空狀態(tài)下，綠色環(huán)保無污染；
[0019]八、激光可以通過光學元件進行傳輸和變換，精度高，自動化程度和生產(chǎn)效率高，本發(fā)明可以實現(xiàn)對復雜結(jié)構(gòu)件的熔覆。
[0020]本發(fā)明可獲得一種利用激光輔助SHS工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法。
【附圖說明】
[0021]圖1為試驗一中輻照過程中的操作示意圖；圖1中1為激光束，2為透明玻璃，3為真空室，4為熔覆粉末，5為處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料，6為行走機構(gòu)；
[0022]圖2為試驗一步驟二得到的表面形成的TC4熔覆涂層的碳纖維增強熱塑性復合材料上熔覆涂層的SEM圖；
[0023]圖3為試驗一步驟二得到的表面形成的TC4熔覆涂層的碳纖維增強熱塑性復合材料中熔覆涂層與碳纖維增強熱塑性復合材料的界面SEM圖；
[0024]圖4為為試驗一步驟二得到的表面形成的TC4熔覆涂層的碳纖維增強熱塑性復合材料中熔覆涂層與碳纖維增強熱塑性復合材料的界面二次電子形貌圖；
[0025]圖5為試驗一步驟二得到的表面形成的TC4熔覆涂層的碳纖維增強熱塑性復合材料中熔覆涂層與碳纖維增強熱塑性復合材料的界面TEM背散射形貌圖。
【具體實施方式】
[0026]【具體實施方式】一:本實施方式是一種利用激光輔助SHS工藝在碳纖維增強熱塑性復合材料表面制備熔覆涂層的方法是按以下步驟完成的:
[0027]一、碳纖維增強熱塑性復合材料的前處理:使用砂紙對碳纖維增強熱塑性復合材料的表面進行打磨，得到表面光滑的碳纖維增強熱塑性復合材料；使用無水乙醇對表面光滑的碳纖維增強熱塑性復合材料清洗3次?5次，再在室溫下自然干燥，得到處理后的碳纖維增強熱塑性復合材料；
[0028]二、將處理后的碳纖維增強熱塑