[发明专利]一种激光熔覆纳米金属复合物涂层的方法

说明书

本发明公开了一种激光熔覆纳米金属复合物涂层的方法，是以溶胶‑凝胶法制备出膏状氢氧化钛纳米材料，与尿素和石墨混合后涂敷在待处理基体材料表面形成待熔覆层，激光照射扫描待熔覆层以形成氮化钛纳米金属复合物涂层熔覆在基体材料表面。本发明在原位反应基础上运用激光照射产生坚硬的氮化物涂层，实现了熔覆层与基体材料之间的高强度结合，获得了无化学残留、无裂纹、无气孔且机械性能良好的熔覆层。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理技术领域，涉及一种在金属材料表面涂覆金属基陶瓷涂层的方法，特别是一种基于激光熔覆技术的涂层涂覆方法。

背景技术

激光熔覆技术是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面放置选择的涂层材料，经激光辐照使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低、与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而改善基体材料表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的工艺方法。

目前，根据涂层材料的添加方式，将激光熔覆工艺方法分为预置粉末法和同步送粉法两种。预置粉末法是将要涂覆的材料通过电镀、化学镀、等离子喷涂和手工粘结等方法预置于金属表面，然后经激光照射熔覆；同步送粉法是直接将金属粉末喷涂在激光辐射所形成的移动熔池上，涂层一次性形成。

激光熔覆技术主要应用在：1、对材料进行表面改性，如燃汽轮机叶片，轧辊，齿轮等；2、对产品表面进行修复，如转子，模具等。有关资料表明，修复后部件强度可以达到原强度的90%以上，且费用不到重置的1/5，并缩短了维修时间。

文献中关于激光熔覆工艺方法的报道层出不穷。但是到目前为止，激光熔覆层特别是激光熔覆金属基陶瓷层依然存在着一些问题，特别是熔覆层内的裂纹和气孔问题。

激光熔覆过程是一个动态熔化的过程，由于熔池的尺寸很小，不仅存在传热现象，也同时存在着对流、质量传递等，它们将直接影响熔池的宏观形貌、偏析、组织和成分均匀性及其他物理冶金性能。因此，在熔覆各种传统的氧化物陶瓷粉末、碳化物复合粉末、金属-陶瓷粉末的过程中，熔池中各组分的元素密度不一致，以及其它物性差别，会导致熔覆层出现由硬质分布不均匀及枝晶粗大造成的熔覆层裂纹和气孔缺陷。

自上世纪80年代以来，激光熔覆金属基陶瓷涂层的裂纹和气孔缺陷问题一直是科研人员致力解决的技术问题，也是最难以克服的问题。尽管已在不同程度上得到了一定的改善，但依然没有得到有效的解决方案，裂纹和气孔问题成为了限制激光熔覆金属陶瓷涂层走向实用化的最大障碍。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光熔覆纳米金属复合物涂层的方法，以利用该方法在金属基体表面获得无裂纹、无气孔、无杂质的较高表面强度和硬度的熔覆涂层。

本发明所提供的激光熔覆纳米金属复合物涂层的方法是：

在乙醇溶剂体系中，以乙酸作为催化剂，催化异丙醇钛和乙醇反应，通过溶胶-凝胶法制备得到膏状的氢氧化钛纳米材料；

按照氢氧化钛纳米材料60～88%、尿素10～33%、石墨2～7%的质量比，将所述膏状的氢氧化钛纳米材料与尿素和石墨混合均匀，涂敷在待处理基体材料的表面，形成待熔覆层；

惰性环境下，以激光照射扫描待熔覆层，使非结晶态的氢氧化钛氮化形成氮化钛纳米金属复合物涂层，熔覆在基体材料表面。

本发明上述方法能够使非结晶态的氢氧化钛在基体材料表面氮化，形成硬度高达27GPa的氮化钛纳米金属复合物涂层。

上述反应过程中，尿素和非晶态的氢氧化钛纳米材料作为氧化剂，将碳氧化为+4价的二氧化碳，而碳作为还原剂，又将+4价的氢氧化钛还原为+3价的氮化钛，高速激光束则提供了上述反应所需要的能量。其中，尿素是氮元素的来源，碳则是控制氧化程度和激光吸收率的关键成分。