[发明专利]一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法

说明书

技术领域    

    本发明涉及一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，属金属材料表面改性技术领域。

背景技术    

表面性能是决定刀具、模具和汽车发动机零件等机械工件服役寿命的主要因素，通过表面强化技术提高工具和机械零件的耐磨、疲劳和耐蚀性能是全球科研与工业化发展的重要方向。

国内外对材料表面性能的改性技术主要包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)。

化学热处理是应用最多、最广泛的表面强化技术，但其也存在明显的缺点，如处理温度高、工件变形大、环境污染严重、生产率低等，常规化学热处理已不符合当前时代发展的需求。表面涂层技术中激光强化技术由于能量过于集中，对涂层材料与基体材料受热加工存在明显差异，涂层经常出现开裂和剥落现象。等离子喷涂、气相沉积等表面强化技术，主要是在材料的表面另外再覆盖一层厚度为几微米的强化薄膜，以强化被覆盖材料的性能，改善材料的表面性能。由于强化薄膜附着基体材料上面，薄膜结合程度对被强化材料的表面形状、材料表面光洁程度、材料自身的热处理性能要求高，同时技术上需要高温结合，对被强化材料的回火温度要高，需高质量的合金材料来进行加工，存在着技术工艺流程长、强化层易脱落的问题。

发明内容    

本发明的目的是，为了克服目前已有表面改性技术得到的改性层或薄膜出现的易脱落、开裂及预处理过程长的缺点，公开一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法。

本发明的技术方案是，本发明一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法采用多重高能量叠加对材料表面进行处理，根据材料的不同改性要求，改变能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素和气体中的元素转化成高能粒子流作用于材料表面，同时兼具激热激冷的特点，从而达到在材料表面制备不同成分的微纳米晶组织改性层和涂层的要求。

本发明多重高能量叠加，是同时施加两种或三种高能量作用于材料表面，能量施加类型为气体燃烧爆炸-电极放电或电爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电。

本发明实现步骤如下：

（1）根据材料的改性或强化要求，选择合适的高能量叠加方案；

（2）选用合适的电极材料，合适的爆炸气体和合适的环境气氛；

（3）对材料表面进行1次或多次轰击的处理，直至完全处理整个材料表面。

本发明形成的高能粒子流的速度 v=3000~8000m/s；高能粒子流的能量密度为10⁴~10⁷W·m²·s；温度为8000~12000K；加热速度为约10⁷K/s；冷却速度为10⁸K/s。

本发明采用的电极材料：包括各种导电的纯金属、合金、复合材料或非金属材料；所述纯金属材料包括钨、钼、钛、铜、铁、锌或铝；所述合金材料包括合金钢、M-金属，RE-稀土或非晶合金；复合材料包括金属-陶瓷复合材料或金属基石墨复合材料；非金属材料为石墨。

本发明采用合适的爆炸气体是能与氧气混合产生爆炸的可燃性气体，包括氢气、甲烷、乙炔、丙烷、丁烷或其中某几种的混合气体。

本发明实现选用合适的环境气氛为大气环境或其他气氛环境；其他气氛环境包括氮气、氩气、氦气、氨气环境。

本发明方法通过改变该能量叠加方法中能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素通过电爆炸形成等离子体或微细液滴，在气体燃烧爆炸产生的爆炸焰流的加速的同时，电极与材料表面放电形成高压电弧，击穿环境气氛，最终使电极和环境气氛中的元素在多种高能量叠加的共同作用下形成高能粒子流作用于材料表面。材料表面在高能粒子流的轰击下，兼具激热激冷效应，表层产生强烈的塑性变形，晶粒内部产生大量的位错，随着应变的增加，位错交互缠结将原始晶粒不断细化成为微纳米晶结构。晶粒细化的同时，电极与环境气氛中的化学元素形成的等离子体渗入表层或发生化学反应在表层形成涂层结构。根据材料表面的改性要求，通过改变电极材料和环境气氛，可在材料表面生成所需结构和成分的微纳米晶组织改性层和涂层。