[发明专利]激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面技术领域，特指一种激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法，其主要是利用激光热力复合效应改变金属材料表面成分和组织以增强其表面性能。

背景技术

材料的失效通常源于表面，因此材料的表面性能成为决定其整体服役行为的关键因素。纳米涂层制备是提高材料表面性能的有效手段之一，引起了国内外众多研究者的重视。纳米涂层制备方法很多，其中高温制备纳米涂层的方法主要有热喷涂、激光熔覆等，但这些方法在高温作用下容易使纳米粉末失去原有纳米材料的优良特性，而且由于纳米涂层材料与基体的热膨胀失配，容易在界面产生热应力；与高温制备方法相比，低温和室温制备方法可以有效避免上述问题，其中较典型的是冷喷涂法。但是这种方法只适合于喷涂金属等塑性粉末，而且并非任何基体均可用此方法制备纳米涂层。此外，热喷涂和冷喷涂方法还需要将纳米粉经过造粒制成微米粉后才能施喷，不仅过程繁琐，而且影响了纳米涂层的性能。为此，日本学者提出了一种新的室温条件制备方法，通过振动发声器使容器内的弹丸以高速撞击带有预置涂层粉末的材料表面，借助弹丸的机械力将纳米粉末压入材料表层，实现纳米涂层的制备，来提高材料的表面性能。但该方法冲击力较小，应变率较低，使涂层界面结合相对较弱，不宜制备较厚涂层，效率也较低，而且难以处理形状复杂的零部件。化学沉积方法如化学镀、电镀等也可以制备纳米涂层，但其存在界面结合强度低、污染环境和工件大小受限等缺点。

针对以上问题，本发明提出一种激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法，主要是利用激光辐照浸涂有纳米陶瓷颗粒的金属基体表面至熔化状态，使纳米陶瓷颗粒浸入熔池，冷却后形成半嵌入状态；然后再通过激光诱导产生的高压冲击波力效应冲击纳米颗粒半嵌入的金属基体表面，使纳米颗粒完全嵌入基体表层，形成高密度均匀纳米颗粒增强复合薄膜。此外，激光力效应引起的纳米颗粒对基体表层的微冲击作用能够改变基体材料表层的微观结构与应力状态，起到纳米强化、形变强化和细晶强化的多重作用。本发明不仅显著提高了纳米涂层的界面结合强度，消除了界面缺陷，而且提高了纳米颗粒的嵌入密度和均匀性，有效改善了表面力学性能。此工艺过程简单，无污染，易于实现自动化，适于大规模批量化生产。因此，通过本发明可以在金属基体表面制备出高性能的高密度均匀纳米颗粒增强复合薄膜，满足实际应用的需求。

发明内容

本发明的目的是为克服现有纳米涂层制备方法存在的问题，提供一种激光热力复合诱导纳米颗粒增强复合薄膜的制备方法，借助激光热效应和力效应将预先浸涂在金属基体表面的纳米陶瓷粉末完全嵌入到金属基体表层，形成一层高性能的高密度均匀纳米颗粒增强复合薄膜，同时基体表面也会产生纳米颗粒微冲击强化的作用。

本发明解决上述问题的技术方案是：采用激光辐照热效应与激光诱导冲击波力效应相结合的复合工艺制备高性能的高密度均匀纳米颗粒增强复合薄膜，获得纳米强化、形变强化和细晶强化的多重作用，进而有效提高金属材料表面性能。其步骤为：

1) 选取用于表面处理的纳米陶瓷粉末；

2) 选取待处理的金属基体，并对金属基体表面进行打磨和抛光，然后在酒精中进行超声波清洗；

3) 将步骤1)选取的纳米陶瓷粉末配制成酒精悬浊液，然后进行超声分散，再浸涂在步骤

2)处理好的金属基体表面上，静置晾干；

4) 用纳秒脉冲激光辐照预涂纳米陶瓷颗粒的金属基体表面至熔化，使纳米颗粒浸入熔池，冷却凝固后半嵌入金属基体表面；

5) 用黑漆或铝箔作为吸收层包覆步骤4)得到的纳米颗粒半嵌入的金属基体表面，然后固定在工作台上，采用流水或K8玻璃作为约束层；

6) 用纳秒脉冲激光器进行激光冲击处理，利用激光冲击波力效应使纳米陶瓷颗粒完全嵌入基体表层，在金属基体表面制备纳米颗粒增强复合薄膜。

所述的纳米陶瓷粉主要为Al₂O₃、SiO₂、ZrO₂、HfO₂、AlN、TiN、BN、Si₃N₄、TiC、WC、SiC、TiB₂、ZrB₂中的一种或几种。

所述的纳米陶瓷粉的平均尺寸为10 nm-200 nm。

所述的金属基体为Al及Al合金，Mg及Mg合金，Ti及Ti合金，Cu及Cu合金，Ni及Ni合金，铸铁或钢。

所述的浸涂速度为1 mm/s-10 mm/s。