[发明专利]一种激光两步法在海洋平台钢表面制备铝基非晶复合陶瓷涂层的方法

说明书

本发明公开了一种激光两步法在海洋平台钢表面制备Al基非晶复合陶瓷涂层的方法包括如下步骤：(1)采用激光热喷涂在干燥、清洁的海洋平台钢基体表面喷涂由Al粉、TiC粉、Ni粉及CeO₂粉末组成的均匀混合的Al基粉末材料，经自然冷却后，在海洋平台钢表面制得激光热喷涂涂层；(2)将步骤一中制得的激光热喷涂涂层表面进行表面处理至洁净干燥，然后进行激光重熔，激光重熔的同时辅以液氮冷却，制得Al基非晶复合陶瓷涂层。本发明制备工艺简单，成本低廉，得到的Al基非晶复合陶瓷涂层几率高，性能好，与基体结合能力强。

技术领域

本发明涉及海洋平台钢表面改性技术，具体涉及一种激光两步法在海洋平台钢表面制备铝基非晶复合陶瓷涂层的方法。

背景技术

非晶态合金由于其独特的无序结构和优异的力学、物理和化学等特性，如极高的强度、硬度，较好的耐腐蚀性以及理想的磁学、电学特性等，受到了国内外学者的广泛关注。而在廉价金属基体表面制备非晶态合金涂层，可充分发挥非晶合金的性能，有效改善基体的表面性能。制备非晶合金的方法主要有：铜模铸造法、吸铸法、高压铸造法、挤压铸造法、水淬法、定向凝固法、机械合金化法等。然而，传统的非晶合金制备方法存在着一些不足，如机械合金化法进行合金化时所需时间较长，生产效率较低；而水淬法由于冷却速率较低，一般只能应用于非晶形成能力高的合金体系；此外，大部分方法所制备的非晶合金尺寸受限，块体非晶合金制备困难。而在廉价金属基体表面制备非晶态合金涂层，可充分发挥非晶合金的优异性能，有效改善基体的表面性能。S355钢作为目前欧洲应用最广泛的海洋平台建设钢种，但S355钢在海洋特定的环境下很容易受到侵蚀，因此需开发提高硬度、耐磨性、耐蚀性的表面处理技术。因而对S355钢进行表面改性成为其使用时必须进行的工序。

近年来，国内外研究者们主要利用激光表面改性快热快冷的特点，在金属材料表面制备非晶涂层。激光热喷涂(LTS)是一种先进的表面改性技术，它通过氩气将送粉器中的粉末送到基材表面，利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝，在基材表面形成冶金结合的涂层。目前，国内外学者对激光非晶涂层的研究主要集中在碳钢、钛合金、镁合金等金属基体上熔覆Fe基、Zr基、Ni基、Cu基非晶涂层或非晶复合涂层，制备低熔点Al基非晶涂层体系方面的研究却十分少见。并且得到的涂层一般很难避免气孔和裂纹以及组织不均匀性等缺陷，也很难形成非晶或微晶涂层。因此控制涂层的微观组织，抑制涂层晶化是利用激光技术制备高质量非晶涂层的关键技术问题之一。已有研究表明对激光热喷涂涂层进行后续激光快速重溶有望获得综合性能优异的非晶－纳米晶复合组织。激光重熔(LM)是利用激光束将表面熔化而不加任何金属粉末，已达到表面组织改善的目的，熔凝层与材料基体是天然的冶金结合。但激光重熔过程中，存在冷却速度达不到临界值RC(临界冷却速度critical cooling rate)，会严重影响铝基非晶涂层的形成质量。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，我们以激光热喷涂技术结合激光重熔技术，并在激光熔凝过程中辅以液氮冷却，这样不仅继续加大冷却速率，还可以排除杂质和气体，同时急冷条件下与仍处于冷态的基体形成极高的温度梯度，经自体热传导快速冷却，当冷速超过材料的临界值RC时，即在表面直接形成微晶或非晶，所获得的组织具有较高的硬度、耐磨性和抗蚀性。从而显著改善基材表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等性能，达到表面改性和修复的目的。

结合两种表面改性技术在海洋平台钢表面上制备Al基非晶复合陶瓷涂层，将在海洋平台用钢上具有广阔的应用前景。利用激光热喷涂加激光重熔两种表面改性技术并辅以液氮快速冷却技术制备Al基非晶复合陶瓷涂层也具有重要的科学价值和实际应用价值。

为了开发出一种激光两步法在海洋平台钢表面制备Al基非晶复合陶瓷涂层的方法，所采用的技术工艺包括以下步骤：