專利名稱：一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法
技術領域：
本發明涉及ー種復合涂層的制備方法，尤其涉及一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法。
背景技術：
復合涂層，是由兩種或者兩種以上不同性質的材料，通過物理或者化學的方法，在基材表面沉積具有全新性能的涂層。由于組成復合涂層的各種材料在性能上相互補充和協調，使復合涂層的綜合性能優于原組成材料，可以滿足各種不同的エ況要求。因此，復合涂層在航空航天、機械制造、冶金與汽車等行業關鍵零部件的表面修復與強化具有廣闊的應用前景。按照復合涂層的增強體的加入方式，復合涂層的制備方法主要分外加法和原位自生法。長期以來，人們對復合涂層的研究一直側重于傳統的熱噴涂和堆焊法等，這類方法制備的涂層與基板結合差，涂層質量差，涂層壽命短。而且外加增強體法制備的涂層中增強體與涂層基體潤濕性差，界面結合不良。激光表面改性技術是ー種新型的局部表面改性方法，具有激光束能量密度高、基體熱影響區小、エ藝可控性強以及高速快捷等特點，它是制備復合涂層的一種有效方法。采用激光輻照可以制備與基板冶金結合良好的原位自生復合涂層，原位自生的增強體在基體涂層中反應生成，該增強體與涂層基體相容性好，可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性以及抗疲勞性等，從而提高工件的服役壽命，已經成為新型復合涂層的發展方向。
發明內容
本發明的目的在于提供一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，采用該方法制備的復合涂層與基體材料間冶金結合非常牢固，不易剝落；熔覆層表面平整，內部無裂紋、氣孔；復合涂層表面的硬度和耐磨性提高顯著。本發明是按照以下步驟來實現的一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，其特征在于按照以下步驟進行對基板表面進行前處理，主要包括對基板進行粗化處理，去除表面的氧化物和銹潰，使基板容易與涂層形成牢固的結合；將粗化后的基板用有機溶劑清洗表面，然后用吹風機吹干或自然風干；將一定粒度大小的Fe粉、Al粉和Si粉按一定比例放入混料機里充分混合，然后將混合好的Fe-Al-Si粉末在氬氣或者氦氣的保護下，使用激光器在合適的エ藝參數下進行掃描輻照，形成原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層，涂層與基板冶金結合。進行所述的步驟時，Fe粉、Al粉和Si粉的粒度大小為300目 100目，Fe粉、Al粉和Si粉的質量比例為6 :1 :3 18 1 :3。進行所述的步驟時，使用氬氣或氦氣氣體保護，激光光斑直徑為O. 5 4mm，功率1000W 2500W，掃描速度200 600mm/min。
進行所述的步驟時，最后形成Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層。在進行所述的步驟時，粗化處理可以是噴砂或者用砂紙打磨表面。有機溶劑可以采用丙酮或者無水こ醇。本發明的原理是利用激光快速加熱和快速冷卻的作用，通過涂層成分的科學設計以及優化激光熔覆過程的エ藝參數，選取最佳的涂層成分和エ藝參數，在涂層中原位制備性能最優的涂層。本發明的優點(1)采用該方法制備的涂層與基體的冶金結合非常牢固，不易剝落；涂層表面平整，內部無裂紋、氣孔缺陷；(2)激光是一種清潔能源，對環境沒有污染；激光能量和掃描速度可精確控制，制備エ藝簡單、緑色清潔環保，利于實現エ業生產自動化；
(3)采用該方法制備的原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層基體與原位自生增強體Fe-Al-Si三元陶瓷增強體之間相容性好，復合涂層界面清潔，復合涂層性能優異。其硬度是基板的4倍，耐磨性提高到3. 5倍。本發明是提高材料表面硬度及耐磨性的有效手段，具有良好的應用前景和經濟意義。
圖I為本發明實例I的復合涂層微觀結構圖。圖2為本發明實例2的熔覆層物相分析的XRD分析圖譜。圖3為本發明實例I、實例2和實例3制備的復合涂層硬度。圖4為本發明實例I、實例2和實例3制備的復合涂層相對耐磨性。
具體實施例方式實施例I
首先用噴砂機對基板Q235鋼的表面進行噴砂處理，去除表面的銹層和氧化物，得到了表面粗糙度較大的表面；將粗化后的Q235鋼用丙酮溶液清洗表面，至表面清潔無油污等；然后自然風干備用。將200目的Fe粉、200目的Al粉和200目的Si粉以6 :1 :3的比例放入混料機中混合3h，使Fe粉、Al粉和Si粉充分混合均勻制備成Fe-Al-Si復合粉末。將Q235鋼放在激光器的工作臺上，在基板上設置預制復合粉體，用激光進行輻照掃描，激光的エ藝參數為激光功率為1600W，掃描速度為400mm/min，光斑直徑為4mm。實施例2
首先用噴砂機對基板Q235鋼的表面進行噴砂處理，去除表面的銹層和氧化物，得到了表面粗糙度較大的表面；將粗化后的Q235鋼用丙酮溶液清洗表面，至表面清潔無油污等；然后自然風干備用。將200目的Fe粉、200目的Al粉和200目的Si粉以8 :1 :1的比例放入混料機中混合3h，使Fe粉、Al粉和Si粉充分混合均勻制備成Fe-Al-Si復合粉末。將Q235鋼放在激光器的工作臺上，在基板上設置預制復合粉體，用激光進行輻照掃描，激光的エ藝參數為激光功率為1600W，掃描速度為400mm/min，光斑直徑為4mm。實施例3
首先用噴砂機對基板Q235鋼的表面進行噴砂處理，去除表面的銹層和氧化物，得到了表面粗糙度較大的表面；將粗化后的Q235鋼用丙酮溶液清洗表面，至表面清潔無油污等；然后自然風干備用。將200目的Fe粉、200目的Al粉和200目的Si粉以7 1 2的比例放入混料機中混合3h，使Fe粉、Al粉和Si粉充分混合均勻制備成Fe-Al-Si復合粉末。將Q235鋼放在激光器的工作臺上，在基板上設置預制復合粉體，用激光進行輻照掃描，激光的エ藝參數為激光功率為1600W，掃描速度為400mm/min，光斑直徑為4mm。圖I為實例I制備出的復合涂層的微觀結構，從圖中可以看出涂層表面平整且無宏觀裂紋、氣孔缺陷，涂層晶粒均勻細小，復合優良涂層特征。圖2為實例2制備的復合涂層的XRD成分圖，從圖中可以看出，涂層主要由Fe基體和原位生成的Al2Fe3Si4三元陶瓷增強體構成。 圖3為實例I、實例2和實例3獲得的復合涂層的硬度曲線圖，從圖中可以看出三種實例制備的涂層硬度都大幅度提高，其中實例2中的涂層硬度最高，其硬度值達到了556HV，約為基板材料的4倍。、圖4為實例I、實例2和實例3獲得的復合涂層的相對耐磨性曲線圖，從圖中可以看出三種實例制備的涂層相對耐磨性都相應提高，其中實例2中的涂層相對耐磨性最高，達到了 4倍，約為基板材料的3. 5倍，證明激光輻照技術原位制備的Fe-Al-Si三元陶瓷/Fe復合涂層具有良好的耐磨性。總之，按本發明方法制備的Fe-Al-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的增強體與基體界面清潔，相容性好；其性能優異，壽命長；生產エ藝簡單、緑色清潔環保，利于實現エ業生產自動化。
權利要求
1.一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，其特征在于按照以下步驟進行對基板表面進行前處理，主要包括對基板進行粗化處理，去除表面的氧化物和銹潰，使基板容易與涂層形成牢固的結合；將粗化后的基板用有機溶劑清洗表面，然后用吹風機吹干或自然風干；將一定粒度大小的Fe粉、Al粉和Si粉按一定比例放入混料機里充分混合，然后將混合好的Fe-Al-Si粉末在氬氣或者氦氣的保護下，使用激光器在合適的工藝參數下進行掃描輻照，形成原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層，涂層與基板冶金結合。
2.根據權利要求I所述的一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，其特征在于進行所述的步驟時，Fe粉、Al粉和Si粉的粒度大小為300目 100目，Fe粉、Al粉和Si粉的質量比例為6 :1 :3 18 1 :3。
3.根據權利要求I所述的一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，其特征在于進行所述的步驟時，使用氬氣或氦氣氣體保護，激光光斑直徑為0.5 4mm，功率1000W 2500W，掃描速度200 600mm/min。
4.根據權利要求I所述的一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，其特征在于進行所述的步驟時，最后形成Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層。
全文摘要
一種激光輻照原位自生Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層的制備方法，制備方法為在氬氣和氦氣的保護下，以Q235為基板，通過激光束輻照Al、Si和Fe復合粉末與基板，形成Al-Fe-Si三元陶瓷/Fe復合涂層。復合粉末中Fe、Al、Si的配比為613～1813，激光光斑直徑為0.5～4mm，功率1000W~2500W，掃描速度200～600mm/min。本發明的優點是采用該方法制備的涂層與基體的冶金結合非常牢固，不易剝落，涂層表面平整，內部無裂紋、氣孔缺陷。
文檔編號C23C24/10GK102660738SQ20121015190
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者吳文妮, 張堅, 李德英, 趙明娟, 趙龍志 申請人:華東交通大學