[发明专利]一种在不锈钢表面制备金属基复合涂层的方法

说明书

本发明公开了一种在不锈钢表面制备金属基复合涂层的方法，该方法是在不锈钢表面以惰性气体的条件用同步送粉的方式采用激光熔覆技术制备TiBCN涂层，然后使用强流脉冲电子束技术均匀抛光激光熔覆层，最后利用微弧氧化技术制备厚度均匀的氧化铝陶瓷层，从而实现涂层的高硬度与良好的耐磨性。

技术领域

本发明涉及一种金属基复合涂层的制备方法，具体是一种在不锈钢表面制备金属复合涂层的方法，属于表面改性技术领域。

背景技术

304不锈钢（304ss）目前被认为是最重要的结构材料之一，由于它们优异的机械性能和相对高的耐腐蚀性，广泛应用于各种高温环境中。但是，为了延长其使用寿命，同时保持较高的结构完整性，增强硬度、提高耐磨性和抗点蚀性的需求越来越明显。

迄今为止，在304不锈钢表面制备功能性涂层是一种有效提升其硬度、耐磨性及抗腐蚀性的方法。但是，目前有各种各样的制备涂层的材料及沉积方式，研究广泛的涂层有氮化物涂层、氧化物涂层等，这些涂层是最有希望改善304ss性能的方法。

在提高304不锈钢表面性能的方法中，表面沉积技术是目前研究比较火的方法，目前，表面沉积技术主要有电镀、热喷涂、PVD法、离子束增强沉积、离子氮化、液相沉积、激光熔覆等。本次发明就是在304不锈钢表面采用激光熔覆技术制备TiBCN涂层，以此增强硬度、提高耐磨性和抗点蚀性。

作为最有前途的添加剂制造技术之一，激光熔覆能够通过高能激光沉积实现复杂金属产品的近净成形。在过去的几十年里，激光熔覆得到了很大的改进，并成功地用于加工各种金属材料。然而，激光熔覆技术仍然面临一些严峻的技术挑战，如成形均匀性和稳定性差，熔覆层表面粗糙等。激光熔覆过程是复杂的，包括激光和粉末、载气和粉末的耦合，以及相邻涂层之间的相互作用。此外，不可避免地会产生微裂纹和孔隙，削弱熔覆层结构的强度和致密性。因此，激光熔覆在工程行业的广泛应用仍然受到限制。为了解决这些问题，近年来，已经进行了大量的研究来改善激光熔覆结构的机械性能和消除多孔性。采用的方法分为两类:优化激光熔覆工艺参数(如扫描速度、激光束功率、送粉速度等)和使用其他辅助工艺，常见的激光熔覆辅助工艺包括:预热粉末和基体、向粉末中加入晶粒细化剂，以及退火、固溶时效、回火等热处理。这些方法无一例外的都是能部分提升涂层的性能，不能整体提升涂层性能，使得涂层在某些特殊环境下（如高温、热腐蚀等）不能很好地保持其特性。

强流脉冲电子束（HCPEB）是近年来发展起来的一种有效的材料表面改性技术，在HCPEB辐照过程中，短时间的高密度电子脉冲可以在表面层引入不同的物理过程，如快速熔化-凝固，蒸发-冷凝以及表面平滑和退火。这些非平衡过程很容易改变表面形貌、微观结构、化学成分、相结构和表面应力状态。以往的许多研究表明，HCPEB辐照可以有效地改善激光熔覆涂层表面的力学性能。

微弧氧化技术是一种使涂层氧化物在基体表面原位生长的并改善涂层性能的新技术。然而，微弧氧化技术目前主要应用于阀门金属(铝、钛、镁)及其合金。在实际试验过程中，还没有发现微弧氧化对激光熔覆层表面有具体的调控作用。

钛合金的微弧氧化主要是由电解液中的Ti⁴⁺离子和OH^-离子在基体表面原位反应形成TiO₂陶瓷层引起的。微弧氧化膜具有良好的基底膜界面附着力、优异的耐化学腐蚀性和耐高温腐蚀性。氧化膜的结构、相组成和机械性能可以通过微弧氧化参数来调整。微弧氧化的主要调节参数是电流密度、放电时间、输入电压和电解液成分。

发明内容

本发明旨在提供一种在不锈钢表面制备高硬度、具有良好耐磨性的金属基复合涂层的制备方法，采用了微弧氧化法和激光熔覆技术的结合优势，在降低成本的同时，降低涂层的微裂纹和孔隙率，大幅度提高了涂层在高温环境下的硬度和摩擦磨损性能。