專利名稱:一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法
技術領域:
本發明涉及一種在金屬表面制備涂層的方法,特別是一種通過多層激光熔覆的方法制備高性能厚納米陶瓷涂層的方法。
背景技術:
表面工程,是指經表面預處理后,通過表面涂覆、表面改性或多種表面工程技術復合處理,改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態等,以獲得所需要表面性能的系統工程。師昌緒、徐濱士院士總結的“20世紀是表面工程形成、興起并快速發展的世紀,21世紀將是表面工程更加成熟完善并且大顯身手的世紀”很好的闡述了表面工程這一新興領域的發展軌跡。陶瓷材料具有優異的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能,但其脆性較大、耐疲勞性能差、對應力和裂紋敏感,且難以加工,使其應用受到了限制。金屬表面陶瓷涂層技術能有機地將基體金屬材料的強韌性、易加工性、導電導熱性等和表面陶瓷涂層的特點結合起來,發揮兩類材料的綜合優勢,同時滿足對結構性能(強度、韌性等)和環境性能(耐磨、耐蝕、耐高溫等)的需要,獲得相當理想的復合材料結構。陶瓷涂層的常用制備技術有等離子噴涂、激光熔覆、自蔓延高溫合成技術(3把)、電子束物理氣相沉積化8^^0)、物理氣相沉積(PVD)以及化學氣相沉積(CVD)等。等離子噴涂制備陶瓷涂層是把陶瓷粉末送入高溫的等離子體火焰,利用等離子體焰流將噴涂材料加熱到熔融或高塑性狀態,在高速等離子體焰流的引導下,高速撞擊工件表面。噴涂過程中,首先是噴涂材料被加熱達到熔化或半熔化狀態;然后是被氣流推動加速向前噴射的飛行階段;最后以一定的動能沖擊基體表面,產生強烈碰撞展平成扁平層并瞬間凝固。最終形成的噴涂涂層是由無數變形粒子相互交錯,呈波浪式堆疊在一起的層狀組織結構。涂層與基體表面的結合以機械結合為主。顆粒與顆粒之間不可避免地存在一部分孔隙或空洞,涂層孔隙率一般在89Γ20%之間。等離子噴涂工藝的特點是對涂層材料的要求寬松,沉積率高,操作簡便,制備成本低,但等離子噴涂的涂層具有典型的層狀結構,涂層中存在較高的非平衡相和孔隙率,界面結合的主要形式是機械結合等,這些因素使等離子噴涂層難以適應較惡劣的環境,因而限制了它的應用范圍及使用壽命。激光熔覆技術是新興的激光技術與歷史悠久的金屬熱處理相結合的產物,由于高能量密度產生極快的加熱速度、功率輸出精確可控和熔覆表面區域的可選擇性,激光熔覆技術已引起了廣泛的關注和重視,并已廣泛的應用于表面涂層制備。激光熔覆陶瓷材料通常采用預置和送粉兩種方式引入激光熔池。其中,送粉多見同軸送粉,而常用的粉末預置方法主要有等離子噴涂法、化學粘結法以及壓片法。相對于等離子噴涂陶瓷涂層,激光熔覆制備的陶瓷涂層組織均勻致密,從而有利于保證涂層的性能及提高工件的使用壽命。但是由于受到激光功率、能量密度、激光作用區溫度場分布、陶瓷導熱系數等因素的綜合影響,致使激光可熔覆的陶瓷涂層厚度有限,另外在激光熔覆陶瓷涂層過程中,由于加熱和冷卻速度很高,陶瓷材料的耐熱沖擊性差,陶瓷涂層與金屬基體的熱膨脹系數相差較大,涂層中大量氣體外逸促使體積收縮等原因,使得激光熔覆陶瓷層易產生裂紋和剝落等問題,因此采用激光熔覆的方法來制備高性能厚陶瓷涂層也是極其困難的。自蔓延高溫合成(SHS)技術是20世紀60年代末發展起來的一種制備各種新材料及進行材料復合的新技術,其基本原理是在金屬基體上預置涂層,在壓力下局部點火引燃化學反應,利用放出的熱使反應持續進行,同時使基體金屬表面短時間內達高溫熔化,涂層與基體間通過冶金結合而制得高黏結強度的涂層。SHS技術具有節能、工藝簡單、合成效率高、產物純度高等優點。SHS技術制備陶瓷涂層主要有反應熱噴涂、SHS離心鑄造涂層、SHS 熔鑄涂層及反應鑄滲涂層等。但其也有明顯的缺點,如產物易形成多孔組織、燃燒產物的組織具較大的離散性,因此影響到了所制備陶瓷涂層的性能。盡管SHS技術在材料的改性方面已得到了廣泛的應用,在性能價格比方面有優越性,但是科學工作者不滿于現狀仍在繼續完善SHS工藝,比如將SHS工藝與加壓相結合,可獲得更致密與基體結合更牢固的陶瓷涂層材料,以滿足于防腐、耐磨、隔熱等不同使用環境的要求。近年來發展起來的EB-PVD技術是用高能電子束加熱并汽化陶瓷源,陶瓷蒸汽以原子形式沉積到基體上而形成的。在制備涂層時,實現了金屬基體與陶瓷層之間結構和成分的連續過渡。經過高溫后續處理,使基體與陶瓷層之間形成擴散,從而消除了內界面。 EB-PVD制備的陶瓷涂層組織為垂直于基體表面的柱狀晶,柱狀晶體與基體間屬冶金結合, 穩定性很好,且高溫下柱狀組織結構具有良好的應變承受能力,從而大大提高了涂層的性能;另外,EB-PVD涂層表面光滑無需再加工,這些都是與等離子噴涂相比的優勢所在。但是,EB-PVD的沉積速率比等離子噴涂低,設備造價昂貴;受元素蒸汽壓影響,涂層的成分控制較困難,基體零件需要加熱,試樣尺寸不能太大。而不管是PVD還是CVD制備的陶瓷涂層都存在涂層厚度薄,制備速度慢,成本高等缺陷,因而限制了氣相沉積技術在陶瓷涂層制備方面的應用。如前所述,經對現在技術文獻的檢索發現,常見的制備陶瓷涂層的方法有等離子噴涂、激光熔覆、自蔓延高溫合成技術以及氣相沉積技術等。在進一步的檢索中,尚未發現很好的制備高性能厚陶瓷涂層的方法。但厚陶瓷涂層有其廣闊的應用空間,如高溫防護涂層。高溫涂層已經成為現代航空渦輪發動機制造中不可缺少的材料,在不斷發展新型更耐熱合金材料和更有效的冷卻技術的同時,大力發展高溫防護涂層是更有效的技術。例如渦輪發動機溫度在1700°C以上,已經超過鎳基超合金的熔點,單靠提高材料本身性能和冷卻技術已不能滿足使用要求。為達到更好的隔熱效果,厚質熱障涂層是一種比較好的研究方向,但厚質涂層因為應力疊加,熱沖擊等因素會引起涂層剝離或破裂造成失效,因此制備高性能厚陶瓷涂層成為現階段的一個研究熱點。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于克服上述現有技術的不足和缺陷,提供一種在金屬基體表面制備高性能厚納米陶瓷涂層的方法。本發明是通過以下技術方案來解決上述技術問題的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,該方法包括下列步驟
①對金屬基體進行預處理;
②對納米團聚體粉末進行預置;
③預置層的激光熔覆處理;
④重復納米陶瓷材料的預置和激光熔覆處理過程,就得到厚陶瓷涂層。
該發明進一步具體為
所述的基體預處理為對基體表面進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。所述的陶瓷材料預置方式為化學粘結法或模壓法中的一種。所述的預置層的激光熔覆處理為在高功率激光器上且所使用的激光能量分布為通過積分鏡變換的類矩形光斑。所述的激光熔覆層裂紋控制措施之一是在激光處理過程中對熔池溫度進行閉環控制。所述的激光熔覆層裂紋控制措施之二是在激光熔覆過程中采用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理。所述的激光熔覆層裂紋控制措施之三是在激光處理過程中在試樣下部放置超聲振動器對熔覆試樣進行超聲振動。所述金屬基體為TiAl合金,所述納米團聚體粉末為納米Al203_13%Ti02粉末,所述制備納米厚陶瓷涂層的具體步驟是
①將電火花線切割至一定尺寸的TiAl合金基體表面進行打磨、除油、噴砂預處理;
②用模壓法制備熔覆薄片,在壓力機上把納米Al203-13%Ti02粉末壓制成熔覆薄片;
③激光熔覆納米Al203-13%Ti02陶瓷涂層,熔覆時氬氣保護,在熔覆過程中,熔池閉環控制的溫度是2500 °C,另外用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理,預熱溫度是400 V, 此外在熔覆試樣下端放置超聲振動器,超聲振動的頻率是50 kHZ,控制熔覆陶瓷涂層裂紋的生成;
④采用多層激光熔覆的方法制備厚陶瓷涂層,即,重復步驟③八次,在TiAl合金表面制得厚納米Al203-13%Ti02陶瓷涂層。或者所述金屬基體為TiAl合金,所述納米團聚體粉末為納米&02-7%Y203粉末,所述制備納米厚陶瓷涂層的具體步驟是
①將電火花線切割一定尺寸的TiAl合金基體表面進行打磨、除油、噴砂預處理。②用模壓法制備熔覆薄片,把納米&02-7%Y203粉末壓制成熔覆薄片;
③激光熔覆納米&02-7%Y203陶瓷涂層,熔覆時氬氣保護,在激光處理過程中熔池閉環控制溫度為3000 °C,另外用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理,預熱溫度是500 V, 此外在熔覆試樣下端放置超聲振動器,超聲振動的頻率是50 kHZ。④采用多層激光熔覆的方法制備厚納米&02-7%Y203熱障陶瓷涂層,即,重復步驟 ③十二次,在TiAl合金表面制得了厚納米&02-7%Y203熱障陶瓷涂層。所述的激光熔覆過程中熔池溫度閉環控制的具體過程為采用紅外線測溫儀對熔池溫度進行實時監測,測溫信號經過數據采集卡處理后,傳給工控計算機,通過連接到工控計算機的控制卡控制激光功率調節器,進而控制激光器的輸出功率和/或掃描速度,激光功率器采集激光器的功率信號并通過數據采集卡傳給工控計算機,實現對熔池溫度的閉環控制。本發明的技術效果
(1)本發明通過納米顆粒的強韌化作用以及其它工藝措施(如對試樣的預熱緩冷及超聲處理)有效的解決陶瓷熔覆層易開裂、剝落的問題,從而可實現陶瓷涂層的多層熔覆,使制備厚陶瓷涂層成為可能。(2)納米顆粒的彌散強化機制使制備的厚陶瓷涂層具有優異的性能,特別是厚熱障陶瓷涂層,可作為航空渦輪發動機葉片等關鍵零部件的高溫防護涂層。
圖1是本發明的激光熔覆裝置示意圖。圖2是本發明實施例1制備所得的厚納米Al203_13%Ti02陶瓷涂層低倍整體形貌。圖3是本發明實施例1制備所得的厚納米Al203_13%Ti02陶瓷涂層局部高倍形貌。圖1中1是數據采集卡,2是工控計算機,3是控制卡,4是激光功率計,5是激光器,6是激光功率調節器,7是激光器運動速度調節器,8是紅外測溫儀,9是保溫箱,10是熔覆試樣,11是超聲振動器。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明,但不應以此限制本發明的保護范圍。本發明一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法具體包括下述步驟 首先,對待處理金屬基體表面進行毛化處理并清洗干凈等預處理,毛化方法包括噴砂
毛化、切削加工毛化及特種加工毛化(如激光毛化)中的一種或幾種;
其次,對納米團聚體陶瓷粉末通過化學粘結法或模壓法進行預置,再利用高功率激光器對預置涂層進行激光熔覆,在激光處理過程中對試樣輔以預熱和緩冷處理并引入超聲振動;重復涂層預置和激光熔覆過程,就可以得到厚陶瓷涂層。實施例一
在TiAl基金屬間化合物合金(簡稱TiAl合金)基體表面激光多層熔覆納米 Al203"13%Ti02 (質量分數,簡稱為Π-ΑΤ13)陶瓷涂層,其具體步驟是
①將電火花線切割至一定尺寸(25 mmX8 mmX8 mm)的TiAl合金(鋼鐵研究總院高溫材料研究所牌號為TAC-2的Y-TiAl基合金)基體表面進行打磨、除油、噴砂等預處理。②用模壓法制備熔覆薄片。材料為美國Inframat公司生產的牌號為Nanox S2613P的納米團聚體粉末,其名義成分為Al203-13%Ti02 (質量分數),團聚體尺寸分布范圍為1(Γ50 μπι。在壓力機上把η-ΑΤ13粉末壓制成尺寸為25 mmX8 mm,厚度大約為0. 15 mm 的熔覆薄片。③激光熔覆n-AT13陶瓷涂層。激光熔覆采用SLCF-X12X25型0)2激光加工機,熔覆時氬氣保護,激光熔覆工藝參數為激光初始功率為650 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,掃描速度為700 mm/min,搭接量為20%,共掃描二道。 激光熔覆裝置示意圖如圖1所示。在熔覆過程中通過熔池溫度閉環控制系統來實現對熔池溫度的控制,熔池溫度閉環控制系統由數據采集卡1、工控計算機2、控制卡3、激光功率計 4、激光器5、激光功率調節器6、激光器運動速度調節器7和紅外測溫儀8組成,紅外線測溫儀8固定在激光器5上,其探測頭對準熔覆試樣9,對熔池溫度進行實時監測,測溫信號經過數據采集卡1處理后,傳給工控計算機2,控制卡3控制著工控計算機2、激光功率調節器 6、激光器運動速度調節器7,通過激光功率調節器6控制激光器5的輸出功率,激光功率計 4采集激光器5的輸出功率并傳給工控計算機2,實現對熔池溫度的閉環控制。在熔覆過程中,熔池閉環控制的溫度是2500 °C,另外用專用保溫箱9對試樣進行預熱和緩冷處理,預熱溫度是400 °C,此外在熔覆試樣9下端放置超聲振動器11,超聲振動的頻率是50 kHZ,從而控制熔覆陶瓷涂層裂紋的生成。④采用多層激光熔覆的方法制備厚Π-ΑΤ13陶瓷涂層。即,重復步驟③八次,在 TiAl合金表面制得了陶瓷涂層各層之間無明顯界面,過渡緩和自然,涂層內部致密、連續、 基本無孔隙及貫穿性大裂紋等缺陷的高性能厚納米結構Al203-13%Ti02陶瓷涂層,涂層厚度約為700 μ m,熔覆陶瓷涂層的低倍和高倍形貌如圖2和3所示。實施例二
在TiAl合金基體表面激光多層熔覆納米&02-7%Y203 (質量分數,簡稱為n-YPSZ)熱障陶瓷涂層,其具體步驟與實施例一類似
①將電火花線切割至20 mmX40 mmX8 mm的TiAl合金(鋼鐵研究總院高溫材料研究所牌號為TAC-2的Y-TiAl基合金)基體表面進行打磨、除油、噴砂等預處理。②用模壓法制備熔覆薄片。噴涂材料為美國Inframat公司生產的牌號為Nanox 4007的納米團聚體粉末,其名義成分為&02-7%Y203(質量分數),團聚體尺寸分布范圍為 40 100 μπι。在壓力機上把η-ΑΤ13粉末壓制成尺寸為40 mmX20 mm,厚度大約為0.15 mm 的熔覆薄片。③激光熔覆n-YPSZ陶瓷涂層。激光熔覆采用SLCF-X12X25型CO2激光加工機, 熔覆時氬氣保護,激光熔覆工藝參數為激光初始功率為550 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,掃描速度為300 mm/min,搭接量為20%,共掃描六道。在激光處理過程中采用與實施例一類似的熔池溫度閉環控制系統、專用保溫箱、超聲振動器控制熔覆層裂紋生成,熔池閉環控制溫度為3000 °C,預熱溫度是500 °C,超聲振動的頻率是50 kHZ。④采用多層激光熔覆的方法制備厚n-YPSZ熱障陶瓷涂層。即,重復步驟③十二次,在TiAl合金表面制得了陶瓷涂層各層之間無明顯界面,過渡緩和自然,涂層內部致密、 連續、基本無孔隙及貫穿性大裂紋等缺陷的高性能厚納米結構&02-7%Y203熱障陶瓷涂層, 涂層厚度約為1 mm。本發明未涉及部分均與現在技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征在于該方法包括下列步驟①對金屬基體進行預處理;②對納米團聚體粉末進行預置;③預置層的激光熔覆處理;④重復納米陶瓷材料的預置和激光熔覆處理過程,就得到厚陶瓷涂層。
2.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的基體預處理為對基體表面進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。
3.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的陶瓷材料預置方式為化學粘結法或模壓法中的一種。
4.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的預置層的激光熔覆處理為在高功率激光器上且所使用的激光能量分布為通過積分鏡變換的類矩形光斑。
5.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的激光熔覆層裂紋控制措施之一是在激光處理過程中對熔池溫度進行閉環控制。
6.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備厚納米陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的激光熔覆層裂紋控制措施之二是在激光熔覆過程中采用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理。
7.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述的激光熔覆層裂紋控制措施之三是在激光處理過程中在試樣下部放置超聲振動器對熔覆試樣進行超聲振動。
8.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述金屬基體為TiAl合金,所述納米團聚體粉末為納米Al203-13%Ti02粉末,所述制備納米厚陶瓷涂層的具體步驟是①將電火花線切割至一定尺寸的TiAl合金基體表面進行打磨、除油、噴砂預處理;②用模壓法制備熔覆薄片,在壓力機上把納米Al203-13%Ti02粉末壓制成熔覆薄片;③激光熔覆納米Al203-13%Ti02陶瓷涂層,熔覆時氬氣保護,在熔覆過程中,熔池閉環控制的溫度是2500 °C,另外用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理,預熱溫度是400 V, 此外在熔覆試樣下端放置超聲振動器,超聲振動的頻率是50 kHZ,控制熔覆陶瓷涂層裂紋的生成;④采用多層激光熔覆的方法制備厚陶瓷涂層,即,重復步驟③八次,在TiAl合金表面制得厚納米Al203-13%Ti02陶瓷涂層。
9.根據權利要求1所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是 所述金屬基體為TiAl合金,所述納米團聚體粉末為納米&02-7%Y203粉末,所述制備納米厚陶瓷涂層的具體步驟是①將電火花線切割一定尺寸的TiAl合金基體表面進行打磨、除油、噴砂預處理;②用模壓法制備熔覆薄片,把納米&02-7%Y203粉末壓制成熔覆薄片;③激光熔覆納米&02-7%Y203陶瓷涂層,熔覆時氬氣保護,在激光處理過程中熔池閉環控制溫度為3000 °C,另外用專用保溫箱對試樣進行預熱和緩冷處理,預熱溫度是500 此外在熔覆試樣下端放置超聲振動器,超聲振動的頻率是50 kHZ ;④采用多層激光熔覆的方法制備厚納米&02-7%Y203熱障陶瓷涂層,S卩,重復步驟③ 十二次,在TiAl合金表面制得了厚納米&02-7%Y203熱障陶瓷涂層。
10.根據權利要求5、8、9任一項所述的一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,其特征是所述的激光熔覆過程中熔池溫度閉環控制的具體過程為采用紅外線測溫儀對熔池溫度進行實時監測,測溫信號經過數據采集卡處理后,傳給工控計算機,通過連接到工控計算機的控制卡控制激光功率調節器,進而控制激光器的輸出功率和/或掃描速度,激光功率器采集激光器的功率信號并通過數據采集卡傳給工控計算機,實現對熔池溫度的閉環控制。
全文摘要
一種激光多層熔覆制備納米厚陶瓷涂層的方法,包括下列步驟①對金屬基體進行預處理;②對納米團聚體粉末進行預置;③預置層的激光熔覆處理;④重復納米陶瓷材料的預置和激光熔覆處理過程,就得到厚陶瓷涂層。本發明的優點在于一方面,通過納米顆粒的強韌化作用以及系列裂紋控制措施有效的解決陶瓷熔覆層易開裂的問題;另一方面納米顆粒的彌散強化機制使其具有優異的性能,從而使制備的高性能厚陶瓷涂層可作為熱障涂層的上表面隔熱涂層應用于航空渦輪發動機葉片等關鍵零部件表面。
文檔編號C23C24/10GK102352509SQ201110364330
公開日2012年2月15日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者周杏花, 王東生 申請人:銅陵學院