[发明专利]一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置

说明书

本发明属于表面涂层加工领域，并具体公开了一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置，其首先在待处理工件的表面激光刻蚀出微结构阵列，然后利用超高速激光熔覆技术或超高速激光‑感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此实现高性能涂覆层的高效率制备。本发明在金属构件表面制备高性能熔覆层的同时，可以提高覆层与基底界面结合面积和结合强度，减小覆层与基底界面应力，避免熔覆层在服役过程中发生断裂和剥落现象，进而提高覆层疲劳性能和摩擦磨损性能。

技术领域

本发明属于表面涂层加工领域，更具体地，涉及一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置。

背景技术

随着现代工业向更快、更精、更高效率方向快速发展，各种机械零部件的服役工况愈加恶劣，由表面磨损、疲劳和腐蚀等表面局部失效行为导致零部件整体报废周期大幅缩短。表面涂层技术，可以在基本不改变基体材料内部组织性能的基础上，在零部件表面熔覆高性能覆层材料，使其整体服役性能显著提高。

目前，金属材料的常用涂层制备技术主要有电镀、热喷涂、喷焊和激光熔覆等。与其他表面涂层技术相比，激光熔覆技术(LC)具有熔覆层稀释率低、组织结构致密、基材变形小、热影响区小、自动化程度高等优点，因此在金属构件表面强化和修复领域得到广泛应用。然而，传统激光熔覆技术沉积效率偏低、远低于传统堆焊和热喷涂等工艺，导致熔覆层制备成本高；并且传统激光熔覆层沉积厚度大、尺寸精度低、表面搭接痕迹明显、粗糙度大，后续需要大量的机加工工序才能投入使用，使得加工成本增大，尤其是对于表面超薄涂层制备需求，以及硬度较高和机加工性能差的涂层材料，局限性很大。

为了解决传统激光熔覆技术存在的上述问题，本领域提出了超高速激光熔覆技术，以实现熔覆层的高效率和高精度制备。并且，与传统激光熔覆层对比，超高速激光熔覆层稀释率更低、组织更加精细均匀、硬度和耐蚀性均增大。然而在实际应用时发现超高速激光熔覆制备的熔覆层在服役过程中容易产生开裂及脱落现象，经研究发现其主要原因在于覆层材料和基体材料在物理和力学性能上差异很大，超高速激光熔覆技术中熔覆层“稀释率极低”这一特点使熔覆层和基底的结合面积相对传统激光熔覆技术减小，还使熔覆层和基底之间的过渡层(即基底稀释层)宽度很小，不能有效缓释两者之间的性能差异，进而使得后续服役过程中覆层/基体界面处的应力大，导致熔覆层易产生开裂或脱落现象。

基于此，本领域有待进一步的研究，以高效率制备高性能涂覆层的同时，提高熔覆层与基体的结合力，进而提高熔覆层抗断裂和抗脱落能力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效率制备高性能涂覆层的方法及装置，其通过先激光刻蚀微结构阵列再超高速激光熔覆或超高速激光-感应复合熔覆涂层的方式，实现在金属构件表面制备高性能熔覆层的同时，提高覆层/基底界面结合面积和结合强度，减小覆层/基底界面应力，提高覆层疲劳性能和摩擦磨损性能，避免熔覆层在服役过程中发生断裂和剥落现象。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种高效率制备高性能涂覆层的方法，其首先在待处理工件的表面激光刻蚀出微结构阵列，然后利用超高速激光熔覆或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此实现高性能涂覆层的高效率制备。

作为进一步优选的，包括如下步骤：

S1对待处理工件的表面进行预处理，在预处理后的工件表面激光刻蚀出微结构阵列；

S2清洗工件表面，利用超高速激光熔覆技术或超高速激光-感应复合熔覆技术在刻蚀有微结构阵列的工件表面沉积熔覆层，以此高效率制备与工件表面结合强度高的高性能涂覆层。

作为进一步优选的，步骤S1中，采用脉冲激光在工件表面实现微结构阵列的激光精密刻蚀。