[发明专利]一种轻金属表面化合物涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面技术领域，特指一种轻金属表面化合物涂层的制备方法。

背景技术

轻金属及其合金因其优异的性能已被广泛应用或显示出广泛的应用前景。但是，它们仍然存在自身的一些缺点，如铝及铝合金耐磨性差、镁及镁合金耐腐蚀性差等，这严重限制了其应用。表面改性能够在保持材料整体性能的前提下克服其耐磨和耐腐蚀性能差等缺点，引起了国内外众多研究者的关注。

化合物涂层通常具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温氧化等性能，因此化合物涂层的制备得到了广泛的研究。目前，化合物涂层的制备方法有热喷涂、冷喷涂、激光熔覆、扩散渗等，其中，扩散渗是在金属基体表面通过原位扩散反应生成化合物涂层，能够避免界面结合差、致密性差、易产生裂纹等缺点，是制备高性能化合物涂层的有效方法。但是，传统的扩散渗，如渗铝，存在温度高、时间长、渗层浅、耗能大、成本高、渗件加工性能差等问题，严重限制了其应用。在此基础上，加速表面扩散反应进行，促进表面化合物涂层的形成成为人们追求的目标。表面微观结构是影响表面扩散反应的重要因素。表面晶粒细化和表面缺陷都有利于加速表面扩散反应的进行。目前主要采用的方法是先通过机械研磨或激光喷丸细化表面晶粒组织，再进行化学热处理来制备化合物涂层，但是，后续加热不仅会使细化的晶粒发生长大，阻碍进一步扩散反应，而且形成的化合物涂层组织也会长大，不利于其性能的提高。与本发明最接近的是专利号为CN1316056C的专利申请，其提出一种加速制备合金涂层的方法，是在封闭容器内通过介质球的机械撞击和热能来制备合金涂层，该方法虽然能够制备合金涂层，但自身还存在一些不足，首先，该方法未预先进行表面组织细化，初始扩散反应较慢，加之冲击力较小，应变率较低，冲击效应浅，不利于短时间内获得深的化合物涂层；其次，有质弹丸能够粘附粉末，造成金属粉末浪费，进一步降低冲击效应；最后，封闭容器无法处理大面积零件，而有质弹丸难以处理结构复杂零件。

针对以上问题，本发明提出一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，主要是先通过激光熔凝来细化金属表面组织，为后续扩散反应做组织准备，提供更多扩散通道，再在中温条件下通过激光喷丸方法冲击轻金属表面预置粉末，在强烈冲击能和热能的共同作用下加速预置粉末与金属基体的扩散反应，促进表面化合物涂层的形成，另外激光喷丸能够进一步细化表面化合物涂层组织，从而获得成分均匀、组织致密细小、厚度大的表面化合物涂层，显著提高轻金属表面性能。此工艺过程简单，无污染，易操作，适合于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在轻金属表面制备出高性能的化合物涂层，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是为解决现有方法存在的问题，提供一种轻金属表面化合物涂层的制备方法，借助激光熔凝和中温条件激光喷丸加速预置粉末与金属基体的扩散反应，促进表面化合物涂层的形成，并细化表面化合物涂层，形成一层高性能的成分均匀、组织致密细小、厚度大的表面化合物涂层。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光熔凝和中温条件激光喷丸相结合的复合方法制备高性能的化合物涂层，有效提高轻金属表面性能，扩大其应用范围。其步骤为：

1) 将轻金属表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

2) 将轻金属表面进行激光熔凝处理，细化表面晶粒；

3) 将扩散反应用金属粉末预置于激光熔凝处理后的轻金属表面；

4) 用铝箔作为吸收层和塑性包覆层，将步骤3)中预置粉末后的轻金属进行整体包覆，铝箔在充当激光吸收层的同时，约束金属粉末，避免金属粉末产生冲击飞溅和脱落；

5) 将步骤4)中包覆好铝箔的轻金属固定在加热工作台上，采用耐高温玻璃为约束层，用纳秒脉冲激光器进行中温激光喷丸处理，制得表面化合物涂层。

所述的轻金属为金属铝、铝合金、金属镁或镁合金。

所述的激光熔凝采用连续CO₂激光器，参数为：激光功率为1KW-5KW，扫描速度为5 mm/s -50mm/s，光斑直径为2mm-5mm，搭接率为20%-50%。

所述的金属粉末为金属铝粉、金属锌粉或金属镍粉。

所述的金属粉末的平均直径为10nm-100μm。

所述的预置粉末的轻金属为预置金属镍粉末的金属铝或铝合金、预置金属锌粉末的金属铝或铝合金、或者预置金属铝粉末的金属镁或镁合金

所述的铝箔的厚度为20μm-40μm。

所述的中温激光喷丸处理的温度为400℃-600℃。