[发明专利]一种用于渗氮基体上制备结合性能良好喷涂层的方法

说明书

一种用于渗氮基体上制备结合性能良好喷涂层的方法，通过磨削基体上渗氮层或基体表面织构化处理或磨削基体渗氮层和基体表面织构化处理共同处理以提高基体表面粗糙度来增强等离子喷涂的喷涂层的结合强度。

技术领域

本发明属于涂层制备技术领域，具体为一种用于渗氮基体上制备结合性能良好喷涂层的方法。

背景技术

等离子喷涂作为一种先进的涂层制备技术，能在不同尺寸、形状的基体上制备具有防腐、耐磨、耐高温、抗氧化、自润滑等多种性能的涂层，并且由于其热源温度可控且范围可达2500℃～10000℃，可制备原材料为金属合金、陶瓷、塑料等不同种类的涂层。等离子喷涂的另外一个巨大优势，即在喷涂过程中的基体受热温度低(<200℃)，基体的组织和性能几乎不发生任何变化，其弯曲变形程度可以忽略，且涂层厚度可在较大范围内变化，为修复不同损伤的再制造毛坯提供了可能。然而由于等离子喷涂技术自身的局限性，喷涂涂层也同样存在一些不足，例如，涂层内部有孔隙、裂纹等缺陷，力学性能等要弱于同种实体材料；涂层与基体结合方式为机械结合，结合强度低，这些不利因素限制了等离子喷涂涂层的应用范围。

喷涂层与基体之间的结合强度是反应涂层服役性能的重要指标。鉴于喷涂层与基体之间的结合方式是机械结合，故需对基体进行预处理以提供有利于与涂层结合的良好环境。喷砂作为传统的基体预处理方法，具有操作简单、可靠性高的优势，但对于历经渗氮、渗碳等工艺处理的高硬基体或树脂等软基体材料则显得不适宜，因为高硬基体的喷砂效果并不显著，而软基体则极易造成基体破坏。

渗氮钢表层形成一层厚度约为300～400μm的渗氮层，渗氮层的表层是一层厚度约为4～5μm的化合物层，化合物层中的Fe₄N等氮化物具有很高的硬度及弥散度，使得渗氮层表面十分光滑且硬度值较大。正是由于形成的渗氮层的特性，使得传统的表面喷砂预处理方法无法满足喷涂层具有较高结合强度的要求。研究表明表面织构化是一个较有前景的热喷涂基体预处理方法，根据其加工方式可以分为激光刻蚀、模板刻蚀、化学刻蚀以及离子刻蚀等。其中，激光刻蚀由于其加工效率高、污染小、成型精度高，且能够加工陶瓷等硬度较高的材料，故能够对渗氮钢表面进行有效处理。

发明内容

针对以上需求，本发明提出的“一种用于渗氮基体上制备结合性能良好喷涂层的方法”，提高渗氮层基体上超音速等离子Ni基喷涂层结合性能。

本发明通过以下技术方案实现的：

在尺寸为200×15×5mm的42CrMo4渗氮钢上，采用正交设计方式通过磨削渗氮层及基体表面织构化处理以提高基体表面粗糙度来增强喷涂层的结合强度。磨削过程中，为了防止基体材料发生变形，磨床的每次磨削深度设定为10μm。共设计0μm、50μm、200μm以及400μm四种磨削深度，其中，0μm表示未对表面进行处理；50μm表示磨削掉渗氮层中的化合物层及少部分过渡层，保留大部分的过渡层；200μm表示磨削掉渗氮层中的化合物层及大部分过渡层，保留少部分的过渡层；400μm表示完全去除渗氮层。

采用图1所示的北京镭杰明公司生产的LM-S-YLP20F型激光加工设备进行基体表面织构化处理，其激光波长为1060nm，脉冲波持续时间为100ns，最大功率为20W，其频率介于10Hz到200kHz之间，扫描速度为100～10000mm/s，可有效地对渗氮钢表层进行激光处理。

等离子喷涂前，首先要对激光加工后的基体进行喷砂处理以去掉表面的氧化层，喷砂需采用较小的冲击速度及较短的冲击时间以避免砂砾冲击对表面织构图案带来破坏。采用HEPJet型超音速等离子喷涂设备在上述基体上制备一层厚度约为200μm的Ni60喷涂层。其中织构的直径及相邻织构之间的距离分别为50μm和75μm。

附图说明

图1为表面激光织构化处理后的基体表面形貌示意图