[发明专利]一种激光多层熔覆制备纳米厚陶瓷涂层的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种在金属表面制备涂层的方法，特别是一种通过多层激光熔覆的方法制备高性能厚纳米陶瓷涂层的方法。

背景技术：

表面工程，是指经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。师昌绪、徐滨士院士总结的“20世纪是表面工程形成、兴起并快速发展的世纪，21世纪将是表面工程更加成熟完善并且大显身手的世纪”很好的阐述了表面工程这一新兴领域的发展轨迹。

陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能，但其脆性较大、耐疲劳性能差、对应力和裂纹敏感，且难以加工，使其应用受到了限制。金属表面陶瓷涂层技术能有机地将基体金属材料的强韧性、易加工性、导电导热性等和表面陶瓷涂层的特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，获得相当理想的复合材料结构。陶瓷涂层的常用制备技术有等离子喷涂、激光熔覆、自蔓延高温合成技术（SHS）、电子束物理气相沉积（EB-PVD）、物理气相沉积（PVD）以及化学气相沉积（CVD）等。

等离子喷涂制备陶瓷涂层是把陶瓷粉末送入高温的等离子体火焰，利用等离子体焰流将喷涂材料加热到熔融或高塑性状态，在高速等离子体焰流的引导下，高速撞击工件表面。喷涂过程中，首先是喷涂材料被加热达到熔化或半熔化状态；然后是被气流推动加速向前喷射的飞行阶段；最后以一定的动能冲击基体表面，产生强烈碰撞展平成扁平层并瞬间凝固。最终形成的喷涂涂层是由无数变形粒子相互交错，呈波浪式堆叠在一起的层状组织结构。涂层与基体表面的结合以机械结合为主。颗粒与颗粒之间不可避免地存在一部分孔隙或空洞，涂层孔隙率一般在8%~20%之间。等离子喷涂工艺的特点是对涂层材料的要求宽松，沉积率高，操作简便，制备成本低，但等离子喷涂的涂层具有典型的层状结构，涂层中存在较高的非平衡相和孔隙率，界面结合的主要形式是机械结合等，这些因素使等离子喷涂层难以适应较恶劣的环境，因而限制了它的应用范围及使用寿命。

激光熔覆技术是新兴的激光技术与历史悠久的金属热处理相结合的产物，由于高能量密度产生极快的加热速度、功率输出精确可控和熔覆表面区域的可选择性，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已广泛的应用于表面涂层制备。激光熔覆陶瓷材料通常采用预置和送粉两种方式引入激光熔池。其中，送粉多见同轴送粉，而常用的粉末预置方法主要有等离子喷涂法、化学粘结法以及压片法。相对于等离子喷涂陶瓷涂层，激光熔覆制备的陶瓷涂层组织均匀致密，从而有利于保证涂层的性能及提高工件的使用寿命。但是由于受到激光功率、能量密度、激光作用区温度场分布、陶瓷导热系数等因素的综合影响，致使激光可熔覆的陶瓷涂层厚度有限，另外在激光熔覆陶瓷涂层过程中，由于加热和冷却速度很高，陶瓷材料的耐热冲击性差，陶瓷涂层与金属基体的热膨胀系数相差较大，涂层中大量气体外逸促使体积收缩等原因，使得激光熔覆陶瓷层易产生裂纹和剥落等问题，因此采用激光熔覆的方法来制备高性能厚陶瓷涂层也是极其困难的。

自蔓延高温合成（SHS）技术是20世纪60年代末发展起来的一种制备各种新材料及进行材料复合的新技术，其基本原理是在金属基体上预置涂层，在压力下局部点火引燃化学反应，利用放出的热使反应持续进行，同时使基体金属表面短时间内达高温熔化，涂层与基体间通过冶金结合而制得高黏结强度的涂层。SHS技术具有节能、工艺简单、合成效率高、产物纯度高等优点。SHS技术制备陶瓷涂层主要有反应热喷涂、SHS离心铸造涂层、SHS熔铸涂层及反应铸渗涂层等。但其也有明显的缺点，如产物易形成多孔组织、燃烧产物的组织具较大的离散性，因此影响到了所制备陶瓷涂层的性能。尽管SHS技术在材料的改性方面已得到了广泛的应用，在性能价格比方面有优越性，但是科学工作者不满于现状仍在继续完善SHS工艺，比如将SHS工艺与加压相结合，可获得更致密与基体结合更牢固的陶瓷涂层材料，以满足于防腐、耐磨、隔热等不同使用环境的要求。