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CN1112460C - 金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法 - Google Patents

金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，该方法是先在金属表面用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，然后在激光照射的同时，将陶瓷粉末喷向涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。用本发明的方法制备的激光熔覆陶瓷涂层，涂层内部致密、无孔隙和裂纹等缺陷，涂层厚度可达几百微米。

Description

金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法
本发明涉及一种金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，属材料科学技术领域。
在金属表面制备陶瓷涂层，目前已有的方法是气相沉积(包括物理气相沉积PVD和化学沉积CVD)和等离子喷涂。气相沉积存在的主要问题是沉积速度慢，涂层薄，一般只能得到几至几十微米厚度的涂层，难以实现制备热障层等涂覆目的，如1994年机械工程出版社出版的“表面涂层技术”中介绍。等离子喷涂的特点是涂覆速度快，效率高，可以达到较大厚度(几百微米至毫米级)，但存在涂层孔隙率大，涂层中陶瓷颗粒之间，涂层与基体之间结合不强(点接触或小面积粘合)等问题，涂层的耐磨性、耐蚀性和耐冲击性都受到很大限制，如1990年“表面工程”杂志，第六卷第3号的185～193页介绍。近年来，许多研究人员试图用激光重熔处理方法来改善等离子喷涂陶瓷层的质量(消除孔隙，增强结合)，但激光处理后涂层出现的裂纹问题一直没有能够解决。如“材料工艺技术”，1997年出版，第4-8页介绍。
本发明的目的是研究一种金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，在金属基体表面制备连续、致密、无孔隙和裂纹等缺陷，厚度可以达到几百微米至毫米级的高质量陶瓷涂层，并且用较高的涂覆效率制备大面积涂层。与传统的气相沉积方法相比，涂层厚度要有很大提高(提高一个数量级)，不仅能达到耐磨、耐蚀目的，而且能达到作热障涂层的要求。与等离子喷涂方法相比，涂层质量要有很大提高，涂层中不能有孔隙等缺陷，涂层结构从烧结型变为结晶型，结合强度得到大大提高，同时不减小涂层厚度。
本发明金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，包括如下各步骤：
第一步，对金属表面(可以是变形铝合金，铸造铝合金，钢等各种适合于进行热喷涂、等离子喷涂的金属)进行清洗(去油)和喷砂(毛化)。
第二步，用火焰喷涂方法制备打底层(常规工艺，打底层材料一般可用镍包铝)，起增强结合和缓冲作用，以利于陶瓷涂层附着在金属基体上并避免涂层开裂。打底层厚度为30～60微米。
第三步，用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层(涂层材料为氧化物陶瓷：如Al2O3.SiO2.Al2O3+TiO2等)，厚度为50～100微米。
第四步，在激光照射的同时，将陶瓷粉未喷向上述涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理。在送粉法激光熔覆过程中，在适当的激光功率密度(1～10×104W/cm2)、扫描速度(3～30mm/s)、送粉角度(45～70°)、粉嘴离基体距离(5～15mm)，送粉速度(0.5～10g/min)等条件下，陶瓷粉穿越激光束，与激光束相互作用产生等离子弧，在激光和等离子弧的联合作用下，在光斑位置形成陶瓷涂层。
应用本发明的制备方法，可以实现在包括难于用激光熔覆的铝合金在内的金属表面涂覆陶瓷涂层，而且涂层内部致密、无孔隙和裂纹等缺陷，涂层质量优于已有的各种陶瓷涂覆工艺所能获得的质量。涂层厚度可达几百微米，大于已有的各种陶瓷涂覆工艺所能获得的厚度。
附图说明：
图1是本发明的制备工艺原理图。
图2是已有技术的等离子喷涂层表面形貌图。
图3是已有技术激光重熔等离子喷涂陶瓷层表面形貌图。
图4是本发明的激光二次熔覆陶瓷层表面形貌图。
图5是本发明的激光二次熔覆陶瓷层的断面结构表面形貌图。
图1中，1是金属基体，2是等离子喷涂陶瓷涂层，3是等离子弧，4是陶瓷粉未，5是激光束，6是二次熔覆陶瓷涂层。
下面介绍本发明的实施例：
例1，金属基体：变形铝合金LY12CZ。陶瓷涂层材料：纯氧化铝粉末(METCO105SFP，含Al2O3 99.5％)，激光二次熔覆参数：激光功率2KW，光斑直径5mm(激光功率密度为1.02×104W/cm2)，扫描速度10mm/s，粉嘴距基体距离10mm，送粉角度60°，送粉量2g/min，搭接率30％。
熔覆效果见如图4和图5所示：涂层内部致密、连续、无孔隙和裂纹等缺陷，与基体结合紧密。厚度约为300微米。
例2，金属基体：铸造铝合金ZL104。陶瓷材料：氧化铝和氧化钛混合粉末(60％Al2O3+40％TiO2)，激光二次熔覆参数：激光功率2.5KW，光斑直径4mm(激光功率密度1.98×104W/cm2)，扫描速度20mm/s，粉嘴距基体距离10mm，送粉角度70°，送粉量2g/min，搭接率30％。
熔覆效果：涂层内部致密、连续、无孔隙和裂纹等缺陷，与基体结合紧密。厚度约为200微米。
例3：金属基体：碳钢。陶瓷材料：灰色氧化铝粉未(METCO101，含Al2O394％，TiO2 2.5％，SiO2 2.0％，FeO21.0％)，激光二次熔覆参数：激光功率2KW，光斑直径4mm(激光功率密度1.59×104W/cm2)，扫描速度10mm/s，粉嘴距基体距离10mm，送粉角度60°，送粉量1.5g/min，搭接率60％。
熔覆效果：涂层内部致密、连续、无孔隙和裂纹等缺陷，与基体结合紧密。厚度约为350微米。

Claims (2)

1、一种金属表面等离子喷涂后激光熔覆制备陶瓷涂层的方法，该方法包括：
(1)对金属表面进行清洗和喷砂；
(2)用火焰喷涂方法制备打底层，打底层厚度为30～60微米；
(3)用等离子喷涂方法制备陶瓷涂层，涂层厚度为50～100微米；
其特征在于还包括：
(4)在激光照射的同时，将陶瓷粉未喷向上述涂层表面，对陶瓷涂层进行二次熔覆处理，其工艺参数为：激光功率密度为1～10×104W/cm2，激光扫描速度为3～30mm/秒，送粉角度为45～70°，粉嘴与基体距离为5～15mm，送粉速度为0.5～10g/分，搭接率为30％～60％；
上述陶瓷涂层为氧化物陶瓷。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于其中所述的打底层材料为镍包铝。
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