[发明专利]表面的磨料喷砂改性

说明书

一种金属表面处理方法，其中用以在50m/s‑250m/s范围内的速度递送的磨料颗粒(4)和掺杂剂颗粒(6)的混合物同时轰击表面(10)，并且由此将该掺杂剂材料沉积在该表面上。还提供了具有通过这种方法处理的表面的制品(8)。

技术领域

本发明涉及材料科学领域中的表面处理技术。

背景技术

金属表面的表面处理(finish)通常使用粒子轰击来提供。这可以从使用磨料喷出(blasting through)的材料移除到使用冷喷涂的材料沉积而变化。这些方法的不同在于方法的能量。不管其名称如何，该冷喷涂方法实际上使用升高的温度。将用于携带颗粒的气体在将其与轰击颗粒混合之前加热到几百度、典型地在200℃与1000℃之间的温度。这增加了气体速度而不增加进料该气体的管线压力。典型地，冷喷涂方法在升高的温度但低于所使用的金属轰击颗粒的熔点下操作。除了由受热气体提供的热能之外，在冷喷涂系统中这些轰击颗粒的动能也较高，因为这些颗粒以比在磨料喷砂中显著更高的速度行进。这些颗粒典型地被加速到超音速(大于342m/s)。在大于300m/s的高速下，由颗粒撞击表面所产生的能量能够足以导致该金属表面和该轰击金属颗粒二者变形，并且所产生的相互作用导致颗粒散开并且涂覆该表面。实现这种涂层沉积所需的最小速度在冷喷涂技术中被称为‘临界速度’。由于该轰击颗粒在冲击时变形的要求，因此已经存在的是该技术对非金属材料的沉积的有限适用性。在低于临界速度的值处，几乎不发生表面的浸渍并且这些轰击颗粒典型地从该表面反弹。如Grigoriev等人(Surf.Coat.Technol.[表面涂覆技术]，268(2015)第77页-第84页)所概括的并且如来自该出版物的图1所示，对于宽范围的材料而言广泛引用的最小临界速度为400m/s。此值可以根据这些轰击颗粒和该基底表面的特性而变化。

在大多数金属材料中，在表面形成氧化层，该表面将比本体金属或合金更硬。金属表面(特别是钛和钛衍生的合金的表面)自然在空气中被各种污染物污染。任何金属表面的详细物理和化学特性取决于它们形成的条件。该金属的固有反应性还可以吸引在该表面上被氧化的各种环境化学物/污染物。例如，钛是高度反应性金属，该金属易被几种不同的介质氧化。这导致钛和大多数其他金属总是被氧化层覆盖。这种氧化层是化学稳定的并且比下面的本体金属硬得多。由于该金属氧化物典型地比该金属硬得多并且反应性低得多，所以这些轰击颗粒结合到基底上的能力通常受到该氧化物的特性的限制而不受下面的金属的特性的限制。

冷喷涂技术也是如此，这些冷喷涂技术还受到可被处理的表面的特性的限制。为了使冷喷涂涂层附着，必须将基底表面清洁并且变粗糙。这通常通过在冷喷涂之前对该表面进行磨蚀喷砂来完成。在一些情况下，已经进行了冷喷涂涂覆，这些冷喷涂涂覆也结合了除金属掺杂剂外的一些磨料颗粒，但是这些都已在超出喷砂范围的高速和升高的温度下沉积。实验上，已经发现陶瓷颗粒的存在起到提高该金属的沉积速率的作用。另外，该陶瓷的存在可以增强沉积物的耐磨性。

大多数表面轰击方法不关注材料沉积，而关注的是表面粗糙度和应力。如果使用圆形颗粒轰击表面并且速度足够低(在低于临界速度的亚音速下)，则该表面仅通过轰击而变形并且凹坑。这被称为喷丸强化(shot peening)，并且它通常用于通过向表面施加压缩应力来控制表面应力，并且这些方法留下了特征性的凹坑表面外观。

如果使用具有角形态或不规则形态的颗粒以低于临界速度的值轰击该表面，则这些轰击颗粒的边缘和棱角可能切碎并且侵蚀来自该基底金属的材料。这导致该表面的磨蚀，并且磨料喷砂广泛用于清洁并且粗糙化金属表面。为了最佳的磨蚀效果，选择具有至少5的莫氏硬度的磨料颗粒，尽管较硬的颗粒是优选的，因为磨蚀随着硬度增加而增加。