在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法
2023-12-03 18:26:16 1
在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法
【專利摘要】本發明公開了在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法，包括：對硬基板進行噴砂處理；硬基板的硬度>300HV；選擇顆粒直徑為30～50微米的球形硬質顆粒進行預熱，預熱溫度為300～600℃；硬質顆粒為2Cr13、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718中的一種或多種；利用1.5～3.0MPa壓縮空氣攜帶預熱後的硬質顆粒在硬基板表面進行噴塗；啟動雷射同步加熱噴塗區域，從而在硬基板表面形成硬質顆粒塗層；雷射功率密度為3～5×105W/cm2，波長為850～1060nm。本技術方案能夠顯著提高硬質顆粒與基板撞擊時塑性變形，從而提升塗層的結合力，獲得更高的、穩定性能的塗層。
【專利說明】在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法(-)【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射技術和冷噴塗技術，尤其涉及壓縮空氣驅動的雷射輔助冷噴塗技術，特別是涉及一種在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法。
(二)【背景技術】
[0002]冷噴塗技術由於消除了高溫對塗層和基體的不利影響，避免了氧化及生成不需要的物相，對於製備易於氧化的材料的塗層具有十分重要的意義。目前的研究表明，冷噴塗可以實現包括金屬Al、Zn、Cu、N1、Ca、T1、Ag、Co、Fe、Nb、NiCr合金、MCrAH合金、高熔點Mo,Ta以及高硬度的金屬陶瓷Cr5C2-25NiCr、WC-21Co等塗層的製備，可以實現用異種材料製備複合塗層或合金塗層以及納米材料塗層等，並且能夠在金屬、陶瓷或玻璃等基體表面上形成塗層。例如，美國利用冷噴塗技術製備的高純銅塗層已應用於一級火箭發動機集束管，鋅鋁塗層已應用於汽車底盤的防腐蝕，此外，還用於生產汽車和飛機用新型韌性塗層，在梯度塗層中連接異種金屬，製造小型塗層複合件以及進行低溫塗覆等。德國已將冷噴塗的塗層用於汽車尾氣排氣管的防護，解決了原來採用熱噴塗技術所引起排氣管的疲勞斷裂問題，提高了其使用壽命。日本將冷噴塗的高性能導電塗層用於電子工業。俄羅斯的冷噴塗已經在電器、機械製造和汽車行業應用，並在西伯利亞鋼鐵廠建立了鋼管內表面防腐塗層(Al，Zn)製備的自動生產線，可以處理管徑在65mm以上，長度在6000mm以內的鋼管。英國劍橋大學已經將冷噴沉積技術應用到了許多領域，如將氧化鋁沉積到鈦合金上，製備出關節球體；冷噴塗銅到鋁基體上，實現了異種連接；同時可實現多層沉積無裂紋、缺陷。
[0003]但單純冷噴塗需要使用氦氣作為負載氣體，成本高，同時沉積塗層存在與基板接合力低、孔隙率較大等缺點。國內專利申請號為200610116569.X的專利文獻提出了 「含有雷射照射的冷氣動力噴塗方法」，採用不含氧氣的惰性氣體或還原性氣體驅動冷噴塗，並輔以雷射照射，在一定的角度和加熱溫度範圍內完成塗層的製備，從而降低粒子臨界速度，提高粘結效率和粘結強度，保證噴塗粒子的組織結構穩定性。該方法的特點在於:(1)使用不含氧氣的惰性氣體或還原性氣 體作為驅動氣體，成本低於冷噴塗最初使用的氦氣；(2)所列舉的實施例僅限於在較軟基體上噴塗較軟的顆粒，如純銅、純鋁、316L基板和純銅、純鋁、316L、純鎳、純鈦等顆粒，無法適用於硬基板上獲得硬質顆粒塗層。
(三)
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種在硬基板O300HV)上通過雷射輔助冷噴塗技術獲得硬質顆粒塗層的方法，使用的高壓氣體為低成本的壓縮空氣。該方法能夠顯著提高硬質顆粒O300HV)與基板撞擊時塑性變形，從而提升塗層的結合力，獲得更高的、穩定性能的塗層。
[0005]本發明的實現方式如下:
[0006]在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法，包括如下步驟:
[0007]I)對硬基板進行噴砂處理；所述硬基板的硬度>300HV ；[0008]2)選擇顆粒直徑為30~50微米的球形硬質顆粒進行預熱，預熱溫度為300~6000C ;所述硬質顆粒為 2Crl3、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718 中的一種或多種；
[0009]3)利用壓縮空氣攜帶預熱後的硬質顆粒在硬基板表面進行噴塗；所述壓縮空氣的壓強為1.5~3.0MPa ；
[0010]4)啟動雷射同步加熱噴塗區域，從而在硬基板表面形成硬質顆粒塗層；雷射功率密度為3~5X105W/cm2，波長為850~1060nm。
[0011]本發明的工作原理是雷射技術與冷噴塗技術的複合應用。雷射的主要作用是加熱冷噴塗粉末顆粒與基板，使其表面軟化，降低顆粒表層和基板表面的硬度，使其易於發生較大的塑性變形。基板在噴塗前，需進行噴砂處理，使其表面獲得較好的粗糙度，增強結合力，提高雷射吸收率。在工作過程中，為獲得合適的顆粒速度，可以對顆粒進行預熱，預熱溫度為 300 ~600 0C O
[0012]本發明的優點在於:
[0013]1.在硬度大於300HV的硬基板上實現了硬質顆粒的冷噴塗。
[0014]2.降低了冷噴塗技術中的顆粒預熱溫度。通過雷射的熱作用，降低顆粒表層和基板表面的硬度，提高塑性變形能力。但為了獲得一定的顆粒臨界速度，可根據需要對冷噴塗顆粒進行一定的預熱，預熱溫度為300~600°C。
[0015]3.在噴塗過程中，採用較低成本的壓縮空氣作為驅動氣體，替代原有的惰性氣體(如氦氣、氮氣)和還原性氣體。
[0016]4.通過雷射輔助製備局部選區性塗層。由於雷射的加熱作用，顆粒撞擊僅在雷射作用區域與基板產生強烈塑性變形和結合，可以按照雷射預定的區域或軌跡實施噴塗。同時由於熱影響小，可以保證基板不發生變形。
(四)【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為45鋼圓柱表面上雷射輔助冷噴塗Ni45顆粒塗層的金相顯微鏡圖片；
[0018]圖2為S43C低碳鋼表面雷射輔助冷噴塗Ni60顆粒塗層的金相顯微鏡圖片；
(五)【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0020]實施例1
[0021]對45鋼圓柱進行噴砂作為基板，選擇顆粒直徑為30微米的Ni45球形顆粒進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用光纖雷射器，使用的功率密度為3X105W/cm2。高壓氣體為
1.5MPa壓縮空氣，顆粒預熱至溫度為600°C，45鋼圓柱通過工具機控制旋轉，同時開始送粉，啟動雷射同步加熱噴塗區域，在45鋼圓柱表面形成硬質顆粒塗層。Ni45沉積塗層的金相照片如圖1所示，能明顯看出顆粒之間發生撞擊，產生變形並結合在一起。
[0022]然而當不加入雷射加熱時，無論如何調整參數，均在基板上未形成任何沉積。
[0023]實施例2
[0024]對S43C低碳鋼進行噴砂後作為基板，選擇顆粒直徑為40微米的Ni60材料進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用半導體雷射器，功率密度為4X105W/cm2。高壓氣體為3.0MPa壓縮空氣，顆粒預熱溫度為500°C，啟動送粉，採用Staubli機械手控制噴嘴走到起始點後，啟動雷射，完成平面噴塗，噴塗過程中雷射同步加熱噴塗區域。所製備的硬質顆粒塗層金相照片如圖2所示，能明顯看出顆粒之間通過撞擊發生塑性變形，結合在一起，測量其顯微硬度為 610HV。
[0025]然而當不加入雷射加熱時，無論如何調整參數，均在基板上未形成任何沉積。
[0026]實施例3
[0027]對45鋼板進行噴砂後作為基板，選擇顆粒直徑為50微米的Ni60材料進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用半導體雷射器，使用的功率密度為5X 105W/cm2。高壓氣體為3.0MPa壓縮空氣，顆粒預熱溫度為600°C，同時控制Staubli機械手控制噴嘴運動和啟動送粉，並啟動雷射同步加熱噴塗區域，在基板表面形成沉積塗層。
[0028]實施例4
[0029]對17-4PH鋼板進行噴砂後作為基板，選擇顆粒直徑為35微米的17-4PH材料進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用半導體雷射器，使用的功率密度為4.5X 105W/cm2。高壓氣體為2.5MPa壓縮空氣，顆粒預熱溫度為450°C，同時控制Staubli機械手控制噴嘴運動和啟動送粉，並啟動雷射同步加熱噴塗區域，在基板表面形成沉積塗層。
[0030]然而當不加入雷射加熱時，無論如何調整參數，均在基板上未形成任何沉積。
[0031]實施例5
[0032]對2Crl3板進行噴砂後作為基板，選擇顆粒直徑為50微米的2Crl3材料進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用半導體雷射器，使用的功率密度為4X105W/cm2。高壓氣體為
2.4MPa壓縮空氣，顆粒預熱溫度為300°C，同時控制Staubli機械手控制噴嘴運動和啟動送粉，並啟動雷射同步加熱噴塗區域，在基板表面形成沉積塗層。
[0033]然而當不加入雷射加熱時，無論如何調整參數，均在基板上未形成任何沉積。
[0034]實施例6
[0035]對2Crl3板進行噴砂後作為基板，選擇顆粒直徑為35微米的Inconel718材料進行雷射輔助冷噴塗。雷射器選用半導體雷射器，功率密度為4X105W/cm2。冷噴氣體為壓縮空氣，氣體預熱至溫度為500°C (420-440°0，加壓至3.010^時，啟動送粉，採用staubli機械手控制噴嘴走到起始點後，開啟雷射，完成平面噴塗，噴塗過程中雷射同步加熱噴塗區域，在基板表面形成沉積塗層。
[0036]然而當不加入雷射加熱時，無論如何調整參數，均在基板上未形成任何沉積。
【權利要求】
1.在硬基板上通過雷射輔助冷噴塗獲得硬質顆粒塗層的方法，其特徵在於，包括如下步驟: .1)對硬基板進行噴砂處理；所述硬基板的硬度>300HV； .2)選擇顆粒直徑為30~50微米的球形硬質顆粒進行預熱，預熱溫度為300~600°C;所述硬質顆粒為2Crl3、17-4PH、Ni45、Ni60、Inconel718中的一種或多種； .3)利用壓縮空氣攜帶預熱後的硬質顆粒在硬基板表面進行噴塗；所述壓縮空氣的壓強為 1.5 ~3.0MPa ； .4)啟動雷射同步加熱噴塗區域，從而在硬基板表面形成硬質顆粒塗層；雷射功率密度為 3 ~5X 105W/cm2，波長為 850 ~1060nm。
【文檔編號】C23C24/08GK103469197SQ201310307606
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】姚建華, 孔凡志, 陳智君, 董剛, 張群莉, 胡曉冬 申請人:浙江工業大學, 杭州博華雷射技術有限公司