一種固結預置碳納米管共混金屬納米粉末的激光熔覆涂層方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種固結預置碳納米管共混金屬納米粉末的激光熔覆涂層方法，尤其是一種在零部件表面機械壓制固結預置碳納米管和金屬納米粉末自粘接混合物，激光熔融獲得金屬基復合材料涂層的方法，屬于材料表面工程領域。
【背景技術】
[0002]激光熔覆技術是通過高功率激光束快速掃描加熱涂覆粉末材料與零部件表面，形成與零部件基體具有冶金結合的涂層技術。激光熔覆涂層可有效的提高零部件的耐摩擦磨損、抗腐蝕、抗高溫氧化等性能。激光熔覆涂層的涂覆粉末材料引入方式主要有兩種:同步送粉法和預置法。同步送粉法是將涂覆粉末在激光束掃描過程中同步施加到零部件表面的同一區域，粉末材料和基體表面吸收激光能量熔化，形成的加熱熔池連續冷卻凝固后獲得熔覆層。同步送粉法對粉末粒度的大小、均勻性和分散度等特性要求較高，且送粉器工作原理與機械結構的固有缺陷，難以滿足混合物粉末、特別是納米尺度混合粉末的均勻送粉要求，同時，連續送粉存在的粉末浪費問題也是方法的又一弊端。預置法則是將待熔覆的一種或數種粉末用一定方法制成所需要的形狀預置于零部件基體表面，用激光束掃描預置層形成冶金結合的熔覆層。相對于同步送粉法，預置法雖然大大節省了熔覆粉末，但是，預置層的均勻性和完整性直接影響著激光熔融過程，決定了熔覆層的質量。
[0003]陳傳忠等的中國發明專利“一種增強鈦合金表面激光熔覆層的方法”(CN201210041114.1)，采用水玻璃溶液將微米尺度C、TiBjP Cu混合粉末調成糊狀涂敷在鈦合金表面風干，激光束熔覆預置層獲得耐磨性及表面形貌較好的鈦合金表面強化涂層。張曉偉等的中國發明專利“以擠壓法預置粉末進行激光熔覆得到復合涂層的方法”(CN201210097330.8)，采用有機粘接劑或者無機溶膠，將兩種或兩種以上單質元素或者化合物混合粉末制成膏糊，在基材表面擠壓成型，激光束掃描干燥的預置層獲得熔覆涂層。李新梅等的中國發明專利“一種提高鋁合金激光焊接過程中熔深的方法”(CN201210395941.0)，采用等離子體噴涂鋁粉與鋅粉或鎂粉共同形成預置層，增加激光能量吸收效率和涂層深度，提高激光熔覆涂層質量。添加各類粘結劑可以顯著改善預置層的均勻性和完整性，但是，粘結劑在激光束掃描加熱過程中的揮發造成了熔覆層內部空洞，影響了涂層的質量。
[0004]由于碳納米管的表面效應和量子尺寸效應等因素導致的團聚現象，限制了碳納米管與金屬粉末的混合效果。2012年，Savalani等在Applied Surface Science發表論文，報道了采用20-30 μ m的金屬Ti粉末與5-20wt.%的碳納米管在無添加有機分散劑條件下混合預置在金屬Ti基體表面，連續Nd-YAG激光掃描制備無裂紋的TiC增強Ti基復合材料涂層，涂層具有高的室溫和高溫耐磨性能。由于微米尺度金屬Ti粉末的選用，造成碳納米管的分散度有限，并沒有充分發揮混合碳納米管的納米分散作用。2014年，Lin等在Journalof Applied Physics發表論文，報道了采用有機分散劑PVA分散碳納米管與微米尺度金屬Fe粉混合預置方法，旨在獲得激光熔覆單根級分散的碳納米管金屬基復合材料涂層。因此，預置碳納米管混合金屬粉末的團聚現象，以及預置層的高應力狀態等問題，仍然是亟待解決的激光熔覆碳納米管金屬基復合材料涂層的重要難題。
【發明內容】
[0005]本發明的目的和任務是要克服固結預置碳納米管共混金屬粉末的激光熔覆涂層存在的:(一)碳納米管與微米金屬粉末的混合物出現的團聚現象；(二)機械壓制固結預置后預置層的高應力狀態，與零部件基體的粘接作用不足，預置層完整性差；(三)分散劑或粘結劑的添加導致熔覆涂層高氣孔率和缺陷的產生。本發明提供一種在水中超聲共混碳納米管和金屬納米粉末形成自粘接納米混合物，在零部件表面機械壓制成固結預置層，經激光熔融獲得表面熔覆涂層方法。
[0006]本發明采用的技術方案為:一種固結預置碳納米管共混金屬納米粉末的激光熔覆涂層方法，所述激光熔覆涂層方法按照下述步驟進行:
[0007]第一步，通過切削加工、電火花加工或者噴丸工藝對零部件表面進行預處理，用丙酮和無水乙醇對預處理后零部件表面進行超聲清洗，去除表面油污；
[0008]第二步，將碳納米管在去離子水中進行超聲分散處理，再將金屬納米粉末加入分散碳納米管的容器中，超聲分散處理碳納米管和金屬納米粉末，在水中形成碳納米管共混金屬納米粉末溶液；
[0009]第三步，將碳納米管共混金屬納米粉末溶液在恒溫水浴中攪拌加熱，蒸發至粘糊狀，將粘糊狀的共混納米粉末溶液在干燥箱內加熱烘干脫水結塊，再研磨碎化制成共混粉體；
[0010]第四步，將共混粉體置于與零部件仿形的模具中，在壓力設備上對共混粉體進行壓制成型，形成自粘接的固結預置層的零部件；
[0011]第五步，將預置有固結預置層的零部件置于激光熔覆設備中，在氮氣或氬氣保護氣氛下進行激光掃描加熱，實現零部件表面與固結預置層的冶金結合。
[0012]所述碳納米管共混金屬納米粉末中碳納米管的質量百分數為2% -30%，金屬納米粉末的質量百分數為98% -70%。
[0013]所述金屬納米粉末為一種或者一種以上金屬粉末。
[0014]所述碳納米管在去離子水中進行超聲分散的功率為l_2kW，處理時間為3-10h，所述超聲分散處理碳納米管共混金屬納米粉末的功率為l_2kW，處理時間為3-10h。
[0015]所述碳納米管與去離子水的質量比為lg: (2500-3000) g，所述碳納米管共混金屬納米粉末與離子水的質量比為(3-50) g: (2500-3000) g。
[0016]所述碳納米管共混金屬納米粉末溶液攪拌蒸發溫度為75-85°C，時間為5-10h，所述粘糊狀的共混納米粉末溶液加熱烘干溫度為75-105°C，時間為5-10h。
[0017]所述在壓力設備上對共混粉體進行壓制成型，形成自粘接的固結預置層的厚度為100-450 μmD
[0018]所述在氮氣或氬氣保護氣氛下進行激光束掃描加熱，掃描速度為100-25mm/min，光斑直徑為2-4mm，激光功率為500-1000W。
[0019]采用上述技術方案的指導思想是:利用碳納米管和金屬納米粉末的自粘接作用，無分散劑和粘結劑添加，實現碳納米管與一種或幾種金屬納米粉末的均勻互混，機械壓制固結預置制備均勻的納米自粘接碳納米管共混金屬納米粉末預置層，減少預置層的內應力，增加預置層與零部件基體的粘接作用，提高預制層的完整性，可取代固結預置碳納米管共混金屬微米粉末預置層，在零部件表面獲得碳納米管共混金屬納米粉末激光熔融涂層。
[0020]本發明的優點為:一、解決了碳納米管與金屬粉末互混存在的碳納米管分布不均勻問題；二、利用納米粉末的自粘接作用，減少機械壓制固結預置層的高應力，增加與零部件基體的粘接作用；三、不需要有機分散劑和粘結劑，可以有效降低熔覆涂層的缺陷，避免熔融過程中雜質成分的摻入；四、機械壓制固結預置層保證了碳納米管和金屬納米粉末的利用率，降低了激光熔覆中納米粉末的浪費。提供的一種適用于大規模生產的碳納米管共混金屬納米粉末的激光熔覆涂層方法，工藝成本低廉，是清潔環保的表面工程技術。
【具體實施方式】
[0021]下面結合具體實施例，進一步說明本發明的細節。
[0022]實施例1:
[0023]利