專(zhuān)利名稱：一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體是在基材表面涂覆超細(xì)晶或納米晶的涂覆工藝。
磨損、斷裂和腐蝕是材料破壞的三種主要形成，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的各工業(yè)部門(mén)使用的零件中，因磨損導(dǎo)致失效而必須修理的，約占零件總數(shù)的60％以上。由磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失也是巨大的。在工業(yè)國(guó)家每年磨損帶來(lái)得損失占到國(guó)民生產(chǎn)總值的2～8％，其中僅磨損造成的損失占到國(guó)民生產(chǎn)總值的1～4％，根據(jù)有關(guān)研究，設(shè)備的維護(hù)和修理的費(fèi)用占到機(jī)器費(fèi)用的30～50％。以上這些還僅僅是由于磨損造成的直接損失，如果將由于磨損所造成的停工停產(chǎn)所引起的損失統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，其數(shù)字更是驚人。目前表面涂層技術(shù)的工藝過(guò)程根椐沉積相的狀態(tài)分為四類(lèi)，氣相沉積，液相沉積，熔融相沉積，固相沉積，這些常規(guī)的表面涂層技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，制作的涂層的性能相差很大。根據(jù)磨料磨損的機(jī)理，磨損是由于表層的顯微切削與磨料在與工具表面接觸過(guò)程中使材料表面發(fā)生塑性變形，消耗了材料的塑性，直到產(chǎn)生顯微裂紋，發(fā)生顯微剝落。其中顯微剝落造成的磨損占了87％～94％，因此，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，在提高材料的磨損性方面，有著重要的意義。
傳統(tǒng)的熱噴涂技術(shù)如電弧噴涂、火焰噴涂等存在如下缺陷，(1)噴涂速度低，在數(shù)百-1500米/秒的范圍內(nèi)，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，一般為40MPa以下，不宜作為耐磨涂層，(2)難以對(duì)一些高熔點(diǎn)材料(如WC-Co)進(jìn)行噴涂，(3)一般不能制備超細(xì)晶、納米晶涂層。PVD(物理氣相沉積)和CVD(化學(xué)氣相沉積)工藝也可制備涂層，但需將工件加熱到較高的溫度。激光或電子束的表面熔覆處理可以制備出超細(xì)晶涂層，激光，電子束熔覆涂層的缺點(diǎn)是由于光斑較小，需反復(fù)掃描，在熔覆過(guò)程中易發(fā)生橋接現(xiàn)象，橋接面主要靠VanderWalls(范德霍爾斯)力連接，結(jié)合力很弱，在外力作用下極易在該面發(fā)生破壞，導(dǎo)致耐磨涂層的剝落。
納米材料是目前具良好前景的技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)超細(xì)晶、納米晶材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如高強(qiáng)度和韌性，因此開(kāi)發(fā)納米耐磨涂層具有重大的應(yīng)用前景。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明目的技術(shù)步驟如下(1)對(duì)基體的待涂覆表面作常規(guī)預(yù)處理；(2)將涂層材料加工成一定直徑的線材或一定尺寸的箔狀后，置放在距基體待涂覆表面的適當(dāng)距離；(3)上述涂層材料中通過(guò)瞬時(shí)大電流，發(fā)生電爆炸后形成的飛散速度為500～3000m/s的微粒沖擊待涂覆基體的表面，形成超細(xì)晶體或納米晶涂層。
本發(fā)明的涂覆機(jī)理是熱噴涂原理和高速碰撞沖擊力學(xué)原理，高速飛行的涂層材料微粒碰撞基體的瞬時(shí)，在微粒與基體的碰撞界面產(chǎn)生幾萬(wàn)至十幾萬(wàn)大氣壓的壓力，同時(shí)在基體中產(chǎn)生一個(gè)向前的沖擊波，上述壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何材料的屈服極限，基體材料和微粒材料在上述壓力下，均可視為高速流體，其力學(xué)性能也是流體性能，在質(zhì)量擴(kuò)散和沖擊波后粒子的向前運(yùn)動(dòng)的作用下，微粒與基體材料結(jié)合出一致密的流體結(jié)合層，基體材料和待涂覆材料微粒相互滲透，最終在基體表面形成納米晶的涂覆層或當(dāng)噴涂微粒的溫度達(dá)數(shù)千攝氏度且以一定速度撞擊基體表面時(shí)，微粒攜帶的熱量和高速碰撞產(chǎn)生的熱量將基體表面薄層熔化，形成一涂覆材料和基體材料的混合層，涂層與基體為冶金結(jié)合。
(1)對(duì)基體的待涂覆表面作常規(guī)預(yù)處理；(2)將涂層材料加工成一定直徑的線材或一定尺寸的箔狀后，置放在距基體待涂覆表面的適當(dāng)距離；(4)上述涂層材料中通過(guò)瞬時(shí)大電流，發(fā)生電爆炸后形成的飛散速度為500～3000m/s的微粒沖擊待涂覆基體的表面，形成超細(xì)晶體或納米晶涂層。
在上述的步驟(2)中，涂層材料無(wú)論作為線材還是箔狀，其直徑或厚度均需作到相當(dāng)小的尺寸，其實(shí)質(zhì)是增加線材或箔狀材料的電阻，以利于電爆炸，這是現(xiàn)有的電學(xué)原理和現(xiàn)有的實(shí)際技術(shù)。在上述的步驟(2)后，還可以采取步驟(2-1)，即將加工一定直徑或一定厚度的待涂層材料與基體均放置與真空或保護(hù)氣體環(huán)境中，然后在通電進(jìn)行涂覆，其目的是如果待涂覆材料為易氧化的金屬，電爆炸產(chǎn)生的微粒是處于高溫狀態(tài)，在空氣環(huán)境中微粒易被氧化而成為金屬氧化物，將會(huì)影響生成的涂層的性能，在真空或保護(hù)氣體狀態(tài)下則可以避免金屬被氧化，當(dāng)然如果待涂覆材料為不易氧化的合金，完全可以在空氣狀態(tài)下進(jìn)行涂覆，真空噴涂同時(shí)還具有使涂層致密、沒(méi)有氣孔產(chǎn)生的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明中，金屬微粒沖擊在基體材料表面時(shí)，具有一種連續(xù)沖擊的現(xiàn)象，其原因是金屬絲或金屬箔通電爆炸后，微粒的飛散為霧狀，微粒沖擊基體在一極短時(shí)間段內(nèi)是連續(xù)的，這樣在基體表面形成一多層的致密的超細(xì)晶或納米晶的涂層，具體是基體材料層表面為基體材料和涂層金屬的混合層，最外表面為被涂覆的超細(xì)晶或納米晶金屬層。
本發(fā)明的涂覆金屬層表面為一納米晶級(jí)的金屬微粒，其表面已達(dá)到相當(dāng)高的光潔度，電爆炸產(chǎn)生的噴涂粒子的尺寸和速度場(chǎng)有分散度，故涂覆在基體上的金屬微粒在很小尺寸上是不均勻的，為提高其平整度或光潔度，在上述的步驟(3)的同時(shí)，對(duì)基體表面的涂層直接施加一個(gè)平面沖擊，則可得到更高光潔度的涂層；上述的直接沖擊具體是指用一具高光潔度表面的金屬塊對(duì)形成的涂層進(jìn)行沖擊，這里為使具高潔度表面的金屬塊對(duì)涂覆層具有一定的沖擊力和涂層的流體變形及形成時(shí)的高溫未冷卻前進(jìn)行沖擊，金屬塊應(yīng)具有一定的沖擊速度，并應(yīng)在涂層形成后的極短時(shí)間進(jìn)行沖擊。
前面已描述了爆炸絲自由爆炸時(shí)，金屬微粒的飛散存在一定的分散度，則金屬微粒在基體材料表面的分布是不均勻的，且噴涂速度非常低(數(shù)百m/s以下)；為了顯著提高噴涂速度，且實(shí)現(xiàn)在基體表面的定向噴涂，在前述的步驟(2)所述的待涂層材料與基體之間施加一個(gè)約束微粒向四周邊緣飛散的限制裝置，也可稱作電爆炸室，其內(nèi)部形狀是矩形截面的變截面空腔，其下端的開(kāi)口的面積大于或等于待涂覆的金屬絲或箔的最大尺寸，其上端接近待涂覆的基體材料的表面，上述的電爆炸室也可是其它形狀的可起約束微粒飛散的裝置，上述的電爆炸室應(yīng)由絕緣材料制成，其既能絕緣又能耐高溫和一定的沖擊。
在很多特定條件下，對(duì)涂層的厚度有一定的要求，一般情況下，單次噴涂的涂層厚度可達(dá)10～80μm，如需涂層的厚度為更大的值以達(dá)到特定的需要，前述的步驟(3)應(yīng)為多次噴涂，既對(duì)同一部件的同一位置多次重復(fù)進(jìn)行電爆炸，最終可使涂層厚度達(dá)到數(shù)百微米。
另外單根爆炸絲，單次電爆炸噴涂其噴涂的面積是有限的，一般為10cm2左右，為噴涂更大面積的涂層并使涂層的均勻和工藝性一致，可利用多臺(tái)電爆炸裝置，然后再通大電流導(dǎo)致多點(diǎn)同時(shí)電爆炸，則可得到較大面積的和更為分布均勻的涂層。
上述的多次噴涂時(shí)，可每次噴涂后均施加一次直接沖擊，以達(dá)到一定的厚度要求又達(dá)到相當(dāng)高的光潔度，也可在多次噴涂后再施加一次直接沖擊，前面已描述直接沖擊具體是指用一具高光潔度表面的金屬塊對(duì)形成的涂層進(jìn)行沖擊，這里的金屬塊是指其具有一定的速度，對(duì)該速度沒(méi)有太大的限制，使金屬塊具有一定的速度的方法很多，本實(shí)施例中使用的是利用一線圈在通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)金屬塊沖擊涂層，或利用電爆炸的方式驅(qū)動(dòng)金屬塊，上述兩種方法的目的是其驅(qū)動(dòng)力大并具動(dòng)態(tài)響應(yīng)高，可以做到金屬塊驅(qū)動(dòng)與金屬絲或箔涂料的電爆炸達(dá)到符合要求的同步要求。
本發(fā)明具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，主要如下1、可制備超細(xì)晶(晶粒直徑0.1～10μm)、納米晶(晶粒直徑≤100nm)耐磨或耐蝕涂層，使噴涂部件的壽命顯著延長(zhǎng)，能在金屬和非金屬工件的內(nèi)外表面進(jìn)行噴涂，2、噴涂厚度可控制；3、即可以在常溫和正常大氣壓下進(jìn)行噴涂，也可在真空狀態(tài)或保護(hù)氣體環(huán)境下噴涂；4、由于涂層與基體可達(dá)到冶金結(jié)合，涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，可達(dá)100～數(shù)百M(fèi)pa，任何導(dǎo)電材料均可作為涂層材料，5、成本較低，并沒(méi)有環(huán)境污染，6、合金材料可作為涂層材料，這是一般化學(xué)方法難以做到的。
本發(fā)明在技術(shù)的基本構(gòu)成上沒(méi)有特殊的難處，特別是在大電流的形成上是現(xiàn)有技術(shù)，電爆炸的原理和技術(shù)也是現(xiàn)有技術(shù)，但作為涂覆工藝或作為表面工程技術(shù)領(lǐng)域未見(jiàn)有報(bào)道，其具有極好的應(yīng)用推廣前景和良好的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，特別是對(duì)高技術(shù)領(lǐng)域的特殊工件的高要求涂層具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
權(quán)利要求
1一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其步驟如下。(1)對(duì)基體的待涂覆表面作常規(guī)預(yù)處理；(2)涂層材料加工成一定直徑的線材或一定尺寸的箔狀后，置放在距離基材待涂覆表面的適當(dāng)距離；(3)在上述涂層材料中通過(guò)瞬時(shí)大電流，發(fā)生電爆炸后形成的飛散速度為500-3000m/s的微粒沖擊待涂覆基體的表面，形成超微晶體或納米晶涂層。
2依據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于將加工成一定直徑或一定厚度的待涂層材料與基材均放置于真空環(huán)境之中。
3依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于在對(duì)涂層的金屬絲或箔通電并形成涂層的同時(shí)，對(duì)基體表面的涂層直接施加一個(gè)平面高速?zèng)_擊。
4依據(jù)權(quán)利要求3所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于上述的直接沖擊是指用一具高光潔度表面的金屬塊對(duì)形成的涂層進(jìn)行平面高速?zèng)_擊。
5依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于所述的待涂層材料與基體之間施加一個(gè)約束微粒向四周邊緣飛散的限制裝置，或稱為電爆炸室，其內(nèi)部形狀是矩形截面的變截面空腔。
6依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于前述的步驟(3)為多次噴涂。
7依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于上述的步驟(2)中的待涂覆的金屬絲或箔為多點(diǎn)放置或近似環(huán)狀放置。
8依據(jù)權(quán)利要求6所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于上述的多次噴涂時(shí)，可每次噴涂后均施加一次直接沖擊，或可在多次噴涂后再施加一次直接沖擊。
9依據(jù)權(quán)利要求4所述的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝，其特征在于使金屬塊具有一定速度的方法是利用一線圈通電時(shí)產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)金屬塊，或利用電爆炸的方式驅(qū)動(dòng)金屬塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及的一種超細(xì)晶、納米晶涂層的形成工藝,其步驟如下:(1)對(duì)基體的待涂覆表面作清污、除銹、除油等常規(guī)預(yù)處理;(2)將涂層材料加工成一定直徑的線材或一定尺寸的箔狀后,置放在距離基材待涂覆表面的適當(dāng)距離;(3)上述涂層材料中通過(guò)瞬時(shí)大電流,發(fā)生電爆后形成的飛散速度為500－3000m/s的微粒沖擊待涂覆基體的表面,形成超細(xì)晶、納米晶涂層。本發(fā)明具有顯著的優(yōu)點(diǎn),其形成的金屬涂層與基體材料產(chǎn)生冶金結(jié)合和高速流體質(zhì)量擴(kuò)散,涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高;可用于制備耐磨、耐蝕及抗氧化涂層,噴涂部件的壽命長(zhǎng),噴涂厚度可控制,任何導(dǎo)電材料或合金材料均可作為涂層材料,成本低并無(wú)環(huán)境污染,具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
文檔編號(hào)B05D1/08GK1377737SQ0211756
公開(kāi)日2002年11月6日 申請(qǐng)日期2002年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者劉宗德, 楊昆 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)(北京)