CN102441672A - 一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法 - Google Patents

Abstract

一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，包括下列步骤：采用机械复合法把若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末制备成纳米粒子分散均匀的包覆型复合粉末，若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒的含量逐渐增加；利用模压法压制激光熔覆薄片；利用多层激光熔覆的方法制备纳米颗粒沿厚度方向逐渐增加的金属基梯度涂层。本发明的优点在于：通过纳米颗粒的弥散强化机制可使其具有优异的强韧性再加上梯度涂层的应力缓和机制从而有望解决熔覆层易开裂的问题；纳米颗粒及梯度涂层的强化作用使其具有优异的性能，从而可应用于航空涡轮发动机叶片等关键零部件表面。

Description

一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法

技术领域：

本发明涉及一种对复合粉末进行激光熔覆得到表面涂层的方法，具体地说是一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法。

背景技术：

师昌绪、徐滨士院士总结的“20世纪是表面工程形成、兴起并快速发展的世纪，21世纪将是表面工程更加成熟完善并且大显身手的世纪”很好的阐述了表面工程这一新兴领域的发展轨迹。作为机械、材料、物理化学等学科的交叉研究前沿，表面工程是21世纪工业发展的关键技术之一，也是先进制造技术的重要组成部分，具有十分重要的作用和地位。而涂层制备技术又是表面工程领域的主要研究内容，将新技术、新材料、新工艺结合的研究已在航空、航天、机械等方面获得了广泛的应用和飞速的发展。

激光熔覆技术是新兴的激光技术与历史悠久的金属热处理相结合的产物，由于高能量密度产生极快的加热速度、功率输出精确可控和熔覆表面区域的可选择性，激光熔覆技术已引起了广泛的关注和重视，并已广泛的应用于表面涂层制备。目前，激光熔覆最大的问题是涂层的脆性高，裂纹倾向大，大大限制了其在关键零部件的应用范围。而现代科技的发展对材料性能的要求愈来愈高，要求材料同时具备抗高温、高导热系数、高强度、高蠕变抗力、高的应变等级以及良好的稳定性等综合性能，单一材料很难同时具备这种综合性能。因此，发展复合材料势在必行。陶瓷材料具有优异的耐磨、耐蚀、耐热和抗高温氧化性能，陶瓷颗粒增强的金属基复合材料能有机地将金属材料的强韧性、易加工性、导电导热性等和陶瓷颗粒的特点结合起来，发挥两类材料的综合优势，同时满足对结构性能(强度、韧性等)和环境性能(耐磨、耐蚀、耐高温等)的需要，获得相当理想的复合材料结构。陶瓷颗粒增强的金属基复合材料因其具有的优良性能倍受关注，是材料科学研究领域的热点问题。而纳米材料由于其结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，为表面涂层性能的提高提供了有利的条件，在2000年徐滨士等就提出了“纳米表面工程”的概念。现在将纳米技术与激光熔覆技术相结合，制备纳米陶瓷颗粒增强的复合涂层已成为当前国内外研究的热点，众多研究表明，与传统涂层相比，纳米涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面会有显著改善，且部分涂层可以同时具有上述多种性能。如Yarrapareddy等通过机械球磨法把一定比例的纳米WC粉末和微米Ni-60WC粉末制成了纳米/微米复合粉末，然后在4140钢表面对复合粉末进行激光熔覆，制得了纳米粒子分散均匀且基本维持在纳米量级的纳米颗粒增强的复合涂层。WC纳米颗粒增强的复合涂层耐冲蚀性能明显优于单一Ni-60WC熔覆层和4140基体。安徽工业大学激光加工研究中心的李明喜等研究了添加不同的纳米颗粒对激光熔覆钴/镍基合金粉末组织结构和性能的影响。南京航空航天大学的王宏宇等分别研究了添加纳米Al₂O₃及CeO₂对激光熔覆镍基高温粉末组织及抗高温氧化性能的影响。

颗粒增强的材料按增强体的加入方式可分为外加颗粒增强复合材料和原位自生颗粒增强复合材料。在1967年，Merzhanov等人就提出了原位复合材料的构想。所谓原位自生，即在一定条件下，通过元素与元素或元素与化合物间的放热反应，原位形成陶瓷相。由于这种陶瓷相引入的特殊性，因而不仅它的尺寸细小，而且颗粒表面无污染，与基体存在较好的润湿性，界面结合强度高。这两个特点使得这种复合材料较传统的外加增强相复合材料具有更高的强度和模量，及良好的高温性能和抗疲劳、耐磨损性能。现在原位反应合成技术已引起研究人员的足够兴趣，而激光熔覆是众多制备原位自生颗粒增强复合材料技术中最经济、优秀的方法之一。如清华大学吴朝锋等人通过在铁基熔覆粉末中单独添加Ti，复合添加Ti+Zr以及Ti+Zr+WC的方式，运用激光熔覆技术在中碳钢表面制备了颗粒增强铁基复合涂层，研究了涂层的显微组织、颗粒相结构及颗粒相与熔覆层基体相之间的界面，并对比渗碳淬火工艺研究了颗粒增强涂层的耐磨性能。结果表明，涂层微观结构是典型的亚共晶介稳组织，原位合成的颗粒是一种复合碳化物，界面处结合牢固，激光原位制备复合碳化物颗粒增强铁基复合涂层具有优异的耐磨性能。张松等用Ti，Cr₂C₃混合粉末作为预置合金涂层，在Ti6Al4V合金表面制备出原位自生TiC颗粒增强钛基复合材料涂层。熔覆层组织致密，且与基体润湿性良好，使基体合金的表面硬度大幅提高，摩擦磨损性能得到显著改善。

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials，FGM)是适应大温差服役环境而由日本科学技术厅1987年在“关于为缓和热应力的梯度功能材料开发基础技术的研究”计划中提出的。其制备过程中，通过连续地控制微观结构要素，使成分、组织连续变化，不存在明显的界面，从而大大缓和了热应力。近年来，“梯度化”作为一种材料的设计思想和结构控制方法已不再局限于热应力缓和功能，它的应用已经扩展到航空、航天、原子能、机械、化工、电子、生物医学等众多领域，在耐磨、耐热、耐腐蚀等结构材料方面同样具有广泛的应用前景。激光熔覆作为一种常用的梯度涂层制备方法而得到了广泛的研究。

激光熔覆法制备梯度涂层是20世纪90年代由Jasim等人发展起来的一种新方法，其基本原理和过程与图1的激光熔覆制备纳米颗粒增强的梯度涂层的最后一步类似。即利用激光熔覆的方法，先在基体表面熔覆一层含少量B材料的AB混合粉末。然后，逐渐增加AB混合粉末中B的含量，重复以上过程，就可得到B沿厚度方向逐渐增加的梯度涂层。

激光熔覆制备梯度涂层技术，自从诞生以来得到了广泛应用。Riabkina- Fishman等在激光表面熔覆的过程中同时注射不同体积分数的WC颗粒，在M2高速钢的表面获得了WC梯度涂层。在国内，吴萍等利用热喷涂结合激光重熔的方法在A3钢表面多层涂覆Ni35+KF56混合粉末，获得了陶瓷相体积分数沿基体到表面呈梯度变化、过渡层和基体结合良好、无气孔和裂纹、厚度为0.4 mm-0.8 mm的梯度涂层。杨胶溪等利用激光宽带熔覆技术在45钢表面制备了WC-Ni基超硬梯度复合涂层，并对比研究了单一熔覆层、梯度熔覆层的熔覆层形貌、缺陷状态、硬度及其分布。结果表明，单一熔覆层易出现宏观裂纹、界面处熔合差等缺陷；梯度激光熔覆层逐级过渡的结合形式缓解了应力集中，使应力合理分布。在优化的工艺参数下，通过连续控制微观结构要素，可以实现成分、组织的梯度变化，获得无气孔、无裂纹的梯度熔覆涂层。

综上所述，经对现在技术文献的检索发现，常见的制备高性能激光熔覆涂层的方法有激光熔覆纳米颗粒增强的复合涂层、激光原位自生复合涂层以及激光熔覆梯度涂层等。在进一步的检索中，尚未发现将激光熔覆纳米颗粒增强的复合涂层和激光熔覆梯度涂层两者结合起来制备纳米颗粒增强的梯度涂层的方法。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题在于针对现阶段对材料表面性能要求愈来愈高的问题，发明一种能应用于苛刻、极端环境的激光熔覆制备纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层的方法。

本发明是通过以下技术方案来实现上述技术问题的：一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，该方法包括下列步骤：

步骤1、采用机械复合法把若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末制备成包覆型复合粉末，所述包覆型复合粉末为纳米陶瓷颗粒包覆在微米金属粉末周围且纳米陶瓷颗粒分散均匀，若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒的含量逐渐增加；

步骤2、利用模压法压制激光熔覆薄片；

步骤3、利用多层激光熔覆的方法制备纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层。

该发明进一步具体为：

所述的机械复合法指的是高能球磨法。

所述的模压法制片为利用压力机或压片机在模具中将包覆型复合粉末压制成一定厚度的激光熔覆薄片。

所述步骤3具体为：先在经预处理的基体表面熔覆一层含有少量纳米陶瓷颗粒的熔覆薄片，接着对熔覆表面进行处理，然后在已处理的熔覆表面再熔覆纳米陶瓷颗粒含量逐渐增加的熔覆薄片，直至纳米陶瓷颗粒含量最多的熔覆薄片熔覆完毕，就得到纳米陶瓷颗粒沿厚度方向逐渐增加的梯度涂层。

所述的基体预处理为对基体表面进行毛化处理并清洗干净，毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。

所述的熔覆层表面处理为对非最终熔覆表面进行平整化处理、清洗干净并干燥，平整化处理采用机械磨削或手工磨削。

作为一个例子，所述微米金属粉末为McrAlY，M=Ni和/或Co，所述纳米陶瓷颗粒为纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，该方法的具体步骤包括：

①把质量比分别为1：99、1：49、1：19、1：9的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末在高能球磨机上机械复合成纳米Al₂O₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在MCrAlY粉末四周的包覆型复合粉末；

②在压力机上采用模压法把上述不同配比的包覆型复合粉末分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；

③激光熔覆前对电火花线切割至一定尺寸的TiAl合金、TC4钛合金或镍基高温合金基体表面进行毛化及清洗预处理，首先在基体表面熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：99的熔覆薄片，然后依次熔覆Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：49、1：19、1：9的熔覆薄片。

在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，激光熔覆工艺参数为：激光功率为950 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为240 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。

作为另一个例子，所述微米金属粉末为NiCr，所述纳米陶瓷颗粒为纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒，该方法的具体步骤包括：

①把质量比分别为1：10、1：5、1：2的纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末在高能球磨机上机械复合成纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型复合粉末；

②在压力机上采用模压法把上述不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；

③激光熔覆前对电火花线切割至25 mm×8 mm×8 mm的TiAl合金、TC4钛合金或镍基高温合金试样表面进行毛化及清洗预处理，首先在基体表面熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：10的熔覆薄片，然后依次熔覆Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：5、1：2的熔覆薄片，在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为300 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。

本发明的技术效果：

（1）由于纳米粒子的表面与界面效应，使得纳米粉末较微米、亚微米粉末更易团聚，而且纳米粒子形成的团聚体往往是硬团聚体，因而使得物质的比表面减小，纳米粒子的优异特性几乎完全丧失，实际实用效果并不理想。本发明通过把一定配比的微米金属与纳米陶瓷增强颗粒的混合粉末制备成纳米粒子分散均匀的包覆型复合粉末，从而解决纳米粒子易团聚的问题，充分发挥纳米粒子的增强效果。

（2）本发明通过模压法实现了熔覆层的绿色预置。由于复合粉末颗粒较小，粉末表面积较大，在模压过程中因摩擦而产生的静电力使颗粒与颗粒之间牢牢地粘在一起，不容易分离，另外该方法不采用粘结剂，有效地避免了粘结剂带来的杂质元素等不足。

（3）本发明充分发挥了纳米陶瓷颗粒的强化效应和梯度涂层的应力缓和作用的协同效果，通过纳米陶瓷颗粒的弥散强化机制将使制备的陶瓷颗粒增强的金属基涂层具有优异的强韧性，再加上梯度涂层的应力缓和机制有效的解决了激光熔覆涂层脆性高，裂纹倾向大的问题，从而有望获得无裂纹、高性能的激光熔覆涂层，使涂层应用于苛刻、极端环境成为可能。

附图说明：

图1是本发明的制备工艺原理图。

图中：1是微米金属粉末，2是纳米陶瓷颗粒，3是包覆型复合粉末，4是熔覆薄片，5是基体，6是熔池，7是激光束，8是第1层熔覆层，9是第2层熔覆层，10是第n层熔覆层。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法包括下述步骤：

首先，采用机械复合法（高能球磨）把若干组具有一定配比的微米金属粉末1与纳米陶瓷颗粒2的混合粉末制备成对应的纳米粒子分散均匀的包覆型复合粉末3，若干组具有一定配比的微米金属粉末1与纳米陶瓷颗粒2的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒2的含量逐渐增加；

其次，采用模压法压制激光熔覆薄片4，即利用压力机或压片机在模具中将配制好的包覆型复合粉末3压制成一定厚度的熔覆薄片4，实现熔覆层的绿色预置；

最后，利用多层激光熔覆的方法制备纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层，先使用激光束7照射经预处理的基体5上的熔池6，在经预处理的基体5表面先熔覆一层含有少量纳米陶瓷颗粒2的熔覆薄片4，即如图1中所示的第1层熔覆层8，然后熔覆纳米陶瓷颗粒2含量逐渐增加的熔覆薄片4，如第2层熔覆层9，直至纳米陶瓷颗粒2含量最多的熔覆薄片4熔覆完毕，如第n层熔覆层10，就可以得到纳米陶瓷颗粒沿厚度方向逐渐增加的梯度涂层。

实施例一：

在TiAl基金属间化合物合金（简称TiAl合金）基体表面激光多层熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒增强的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层，M=Ni和Co，其具体步骤是：

①通过控制磨球与粉料的质量比、球磨机的转速及球磨时间，把质量比分别为1：99、1：49、1：19、1：9的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒（平均粒径为20 nm）和MCrAlY合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-113A，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Al₂O₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型复合粒子；

②根据复合粉末颗粒较小，粉末表面积较大的特点，利用在模压过程中因摩擦而产生的静电力在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度控制在0.25 mm左右）；

③激光熔覆前对电火花线切割至一定尺寸（25 mm×8 mm×8 mm）的TiAl合金（钢铁研究总院高温材料研究所牌号为TAC-2的γ-TiAl基合金）基体表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：99的模压薄片，然后依次熔覆Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：49、1：19、1：9的模压薄片，在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，这样既可以使底层与熔覆层达到冶金结合，又可以冷凝后在底层表面形成一个低稀释度的包覆层。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为950 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为240 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在TiAl合金表面得到纳米Al₂O₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层。

实施例二：

在TiAl合金基体表面激光多层熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒增强的NiCr基梯度高温耐磨涂层，其具体步骤与实施例一类似：

①把质量比分别为1：10、1：5、1：2的纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒（平均粒径为30 nm）和NiCr合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-305，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型复合粒子；

②在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度约0.2 mm）；

③激光熔覆前对电火花线切割至25 mm×8 mm×8 mm的TiAl合金试样表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：10的模压薄片，然后依次熔覆Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：5、1：2的模压薄片。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为300 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在TiAl合金表面得到纳米Cr₂C₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的NiCr基梯度高温耐磨涂层。

实施例三：

在TC4钛合金基体表面激光多层熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒增强的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层，M=Ni，其步骤与实施例一类似：

①通过控制磨球与粉料的质量比、球磨机的转速及球磨时间，把质量比分别为1：99、1：49、1：19、1：9的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒（平均粒径为20 nm）和MCrAlY合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-113A，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Al₂O₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型复合粒子；

②根据复合粉末颗粒较小，粉末表面积较大的特点，利用在模压过程中因摩擦而产生的静电力在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度控制在0.25 mm左右）；

③激光熔覆前对电火花线切割至一定尺寸（25 mm×8 mm×8 mm）的TC4钛合金基体表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：99的模压薄片，然后依次熔覆Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：49、1：19、1：9的模压薄片，在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，这样既可以使底层与熔覆层达到冶金结合，又可以冷凝后在底层表面形成一个低稀释度的包覆层。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为950 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为240 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在TC4钛合金表面得到纳米Al₂O₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层。

实施例四：

在TC4钛合金基体表面激光多层熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒增强的NiCr基梯度高温耐磨涂层，其具体步骤与实施例一类似：

①把质量比分别为1：10、1：5、1：2的纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒（平均粒径为30 nm）和NiCr合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-305，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型复合粒子；

②在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度约0.2 mm）；

③激光熔覆前对电火花线切割至25 mm×8 mm×8 mm的TiAl合金试样表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：10的模压薄片，然后依次熔覆Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：5、1：2的模压薄片。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为300 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在TC4钛合金表面得到纳米Cr₂C₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的NiCr基梯度高温耐磨涂层。

实施例五：

在镍基高温合金基体表面激光多层熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒增强的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层，M= Co，其具体步骤是：

①通过控制磨球与粉料的质量比、球磨机的转速及球磨时间，把质量比分别为1：99、1：49、1：19、1：9的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒（平均粒径为20 nm）和MCrAlY合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-113A，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Al₂O₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米MCrAlY粉末四周的包覆型复合粒子；

②根据复合粉末颗粒较小，粉末表面积较大的特点，利用在模压过程中因摩擦而产生的静电力在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度控制在0.25 mm左右）；

③激光熔覆前对电火花线切割至一定尺寸（25 mm×8 mm×8 mm）的镍基高温合金基体表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：99的模压薄片，然后依次熔覆Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：49、1：19、1：9的模压薄片，在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，这样既可以使底层与熔覆层达到冶金结合，又可以冷凝后在底层表面形成一个低稀释度的包覆层。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为950 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为240 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在镍基高温合金表面得到纳米Al₂O₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的MCrAlY基梯度抗高温氧化涂层。

实施例六：

在镍基高温合金基体表面激光多层熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒增强的NiCr基梯度高温耐磨涂层，其具体步骤与实施例一类似：

①把质量比分别为1：10、1：5、1：2的纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒（平均粒径为30 nm）和NiCr合金粉末（北京矿冶研究总院金属材料所，牌号为KF-305，尺寸分布范围为45~105 μm）在高能球磨机上机械复合成纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型复合粒子；

②在压力机上采用模压法把不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片（尺寸为25 mm×8 mm，厚度约0.2 mm）；

③激光熔覆前对电火花线切割至25 mm×8 mm×8 mm的镍基高温合金试样表面进行毛化及清洗等预处理，首先在基体表面熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：10的模压薄片，然后依次熔覆Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：5、1：2的模压薄片。激光熔覆采用SLCF-X12×25型CO₂激光加工机，熔覆时氩气保护，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为300 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。这样通过四次激光熔覆后就在镍基高温合金表面得到纳米Cr₂C₃陶瓷增强颗粒沿厚度方向逐渐增加的NiCr基梯度高温耐磨涂层。

本发明未涉及部分均与现在技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

步骤1、采用机械复合法把若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末制备成包覆型复合粉末，所述包覆型复合粉末为纳米陶瓷颗粒包覆在微米金属粉末周围且纳米陶瓷颗粒分散均匀，若干组具有一定配比的微米金属粉末与纳米陶瓷颗粒的混合粉末中，纳米陶瓷颗粒的含量逐渐增加；

步骤2、利用模压法压制激光熔覆薄片；

步骤3、利用多层激光熔覆的方法制备纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层。

2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述的机械复合法指的是高能球磨法。

3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述的模压法制片为利用压力机或压片机在模具中将包覆型复合粉末压制成一定厚度的激光熔覆薄片。

4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述步骤3具体为：先在经预处理的基体表面熔覆一层含有少量纳米陶瓷颗粒的熔覆薄片，接着对熔覆表面进行处理，然后在已处理的熔覆表面再熔覆纳米陶瓷颗粒含量逐渐增加的熔覆薄片，直至纳米陶瓷颗粒含量最多的熔覆薄片熔覆完毕，就得到纳米陶瓷颗粒沿厚度方向逐渐增加的梯度涂层。

5.根据权利要求4所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述的基体预处理为对基体表面进行毛化处理并清洗干净，毛化方法包括喷砂毛化、切削加工毛化及特种加工毛化中的一种或几种。

6.根据权利要求4所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述的熔覆层表面处理为对非最终熔覆表面进行平整化处理、清洗干净并干燥，平整化处理采用机械磨削或手工磨削。

7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述微米金属粉末为McrAlY，M=Ni和/或Co，所述纳米陶瓷颗粒为纳米Al₂O₃陶瓷颗粒，该方法的具体步骤包括：

①把质量比分别为1：99、1：49、1：19、1：9的纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末在高能球磨机上机械复合成纳米Al₂O₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在MCrAlY粉末四周的包覆型复合粉末；

②在压力机上采用模压法把上述不同配比的包覆型复合粉末分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；

③激光熔覆前对电火花线切割至一定尺寸的TiAl合金、TC4钛合金或镍基高温合金基体表面进行毛化及清洗预处理，首先在基体表面熔覆纳米Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：99的熔覆薄片，然后依次熔覆Al₂O₃陶瓷颗粒和MCrAlY合金粉末配比为1：49、1：19、1：9的熔覆薄片。

8.根据权利要求8所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，激光熔覆工艺参数为：激光功率为950 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为240 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。

9.根据权利要求1所述的一种激光熔覆纳米陶瓷颗粒增强的金属基梯度涂层制备方法，其特征是：所述微米金属粉末为NiCr，所述纳米陶瓷颗粒为纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒，该方法的具体步骤包括：

①把质量比分别为1：10、1：5、1：2的纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末在高能球磨机上机械复合成纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒分散均匀且包覆在微米NiCr粉末四周的包覆型复合粉末；

②在压力机上采用模压法把上述不同配比的微纳米复合粒子分别压制成颗粒与颗粒之间牢牢粘在一起的激光熔覆薄片；

③激光熔覆前对电火花线切割至25 mm×8 mm×8 mm的TiAl合金、TC4钛合金或镍基高温合金试样表面进行毛化及清洗预处理，首先在基体表面熔覆纳米Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：10的熔覆薄片，然后依次熔覆Cr₂C₃陶瓷颗粒和NiCr合金粉末配比为1：5、1：2的熔覆薄片，在激光熔覆过程中通过控制激光熔覆工艺参数使熔覆薄片完全熔化而底层材料/基体微熔，激光熔覆工艺参数为：激光功率为1200 w，光斑尺寸为5 mm×3 mm的矩形光斑，激光扫描方向沿光斑3 mm侧，扫描速度为300 mm/min，搭接扫描两道，搭接量为20%。

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