[发明专利]一种梯度纳米晶、超细晶涂层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种梯度纳米晶、超细晶涂层及其制备方法，包括将金属粉末喷涂到基体，形成冷喷涂涂层，然后在冷喷涂涂层表面进行激光冲击强化处理制得梯度纳米晶、超细晶涂层，所述的激光为脉冲激光，所述的激光波长为1064nm，脉冲宽度为5‑20ns。本发明采用的喷涂过程具有操作简单、温度低、沉积效率及致密度高等优点，激光冲击强化技术具有效率高、残余应力区深、表面冲击坑小、环保等优点。

技术领域

本发明属于金属涂层制备领域，具体涉及到一种梯度纳米晶、超细晶涂层及其制备方法。

背景技术

晶粒尺寸在1nm～100nm范围内时定义为纳米晶材料，处于亚微米级(0.1～1μm)的材料称为超细晶材料，与传统的粗晶材料相比，纳米晶、超细晶材料具有高韧性、高强度、抗疲劳等诸多优异的力学性能。将纳米晶、超细晶结构引入涂层表面可以有效地提高涂层的硬度、耐磨性、耐蚀性、抗疲劳等性能，从而可以极大的提高涂层的服役寿命。常见的表面纳米晶制备方法包括：表面高能喷丸(HESP)、表面机械研磨(SMAT)表面机械碾压等通过喷丸或刀具对金属表层实施多次、反复的塑性变形，达到晶粒细化目的。但高速弹丸或刀具与涂层表面直接作用，容易污染涂层，且作用深度较小，具有梯度纳米晶、超细晶的区域很难达到毫米级，所以传统工艺并不适合制备大区域梯度纳米晶、超细晶涂层。

近年来出现的脉冲电子束表面强化技术同样存在如下问题：

1、脉冲电子束技术要求设备在真空环境下运行，增加了技术的实施难度，这一要求在实际的工程应用中很难满足。

2、脉冲电子束会导致表层材料快速融化，并且融化后材料的冷却速率很高，这种情况下很难保证材料不发生相变；而且凝固后表层组织内部的残余应力类型属于残余拉应力，残余拉应力的存在会降低材料的抗腐蚀能力和抗疲劳性能。

而采用冷喷涂技术制备金属涂层时，金属颗粒处于低温状态，可有效避免喷涂过程中金属颗粒发生氧化、相变等不利影响，保证金属颗粒的原始成分不发生变化，且涂层成型性好，耗能、环保要求较低。使用冷喷涂技术制备的金属涂层有以下特点：(1)金属粉末在喷枪出口速度达到500-1200m/s，颗粒具有较高的动能，沉积过程中发生剧烈的塑形变形，在颗粒-颗粒、颗粒-基体界面区域形成了细小的纳米晶；颗粒的心部晶粒尺寸较大，但是位错密度较高；(2)因表面涂层的捶击效应与底部涂层相比较小，所以表面涂层的孔隙率较高，严重影响涂层的抗腐蚀防、抗磨损防护效果；(3)冷喷涂涂层中，金属颗粒-基体、金属颗粒-金属颗粒以机械结合为主，并且在粉末沉积过程中，因为金属颗粒发生了剧烈塑性变形，所以涂层组织硬化效应显著，涂层的抗疲劳性能较低。

发明内容

本发明提出一种梯度纳米晶、超细晶涂层及其制备方法，解决现有方法制备大区域梯度纳米晶、超细晶涂层时遇到的技术问题。

为了实现上述任务，本发明采取如下技术方案：

一种梯度纳米晶、超细晶涂层的制备方法，其特征在于，包括将金属粉末喷涂到基体，形成冷喷涂涂层，然后在冷喷涂涂层表面进行激光冲击强化处理制得梯度纳米晶、超细晶涂层，所述的激光为脉冲激光，所述的激光波长为1064nm，脉冲宽度为5-20ns。

进一步的，具体包括：

将金属粉末冷喷涂到基体，形成冷喷涂涂层；将冷喷涂涂层置于数控工作台上，设置激光功率密度，对整个冷喷涂涂层的待加工区域进行激光冲击强化处理，进行多次重复冲击，获得梯度纳米晶、超细晶涂层，涂层厚度为0.5～2mm。

具体的，所述的金属粉末为Al、Zn、Cu、Ni、铝合金、锌合金、Fe基合金粉末、铜合金、镍合金粉末中一种或几种的混合物。

具体的，所述的金属粉末的粒径分布范围在1～100μm，平均粒径为5～35μm。

进一步的，喷涂过程中冷喷涂粉末以400～1200m/s的速度撞击基体。