[发明专利]基于激光熔覆与脉冲电子束辐照的非晶涂层制备方法

说明书

本发明公开了一种基于激光熔覆与脉冲电子束辐照的非晶涂层制备方法。本发明首先在基体表面通过激光熔覆技术制备ZrNiAlCu涂层，再使用脉冲电子束HCPEB辐照对涂层表面进行净化处理。该方法利用HCPEB辐照处理的能量集中、高效率、易控制等特点，提高合金涂层的非晶含量。实现激光熔覆涂层的表层致密化和熔覆合金均匀化，从而提高其耐磨防腐蚀性能。本发明能进一步实现熔覆层表层晶粒超细化甚至纳米级细化，进而提高熔覆层耐磨防腐蚀性能。

技术领域

本发明涉及一种激光熔覆涂层的强流脉冲电子束辐照改性方法，具体地说是一种基于激光熔覆与脉冲电子束辐照的非晶涂层制备方法，属于合金表面处理领域。

背景技术

锆合金是锆或其他金属的固溶体。锆具有非常低的热中子吸收截面，高硬度，延展性和耐腐蚀性，主要用途是核技术领域，例如核反应堆内的燃料棒等。锆合金就其强度、耐磨性和抗蚀性能来说，都不能满足核燃料包壳和压力管的要求。锆在易吸收氢、氮和氧气；锆对氧的亲和力很强，极易与氧发生反应。

近年来，国内外研究者们利用激光快热快冷的特点，在金属材料表面制备具有优异性能的非晶涂层方面取得了一些成果和进展。激光表面熔覆技术是指利用高能量密度的激光束对熔覆材料进行加热、熔化，并快速凝固后形成低稀释率并与基体之间成良好冶金结合的表面涂层技术，所制备的涂层能够显著改善基体材料表面耐磨性、耐蚀性、高温抗氧化性等。激光熔覆技术存在熔覆层质量高、材料选择范围广、工艺参数可调整范围大、自动化程度高等特点，在工业生产中得到广泛应用，尤其在小尺寸和形状复杂的涂层制备及叶片修复方面具有潜在的优势。但是，激光熔覆还存在一些缺点：①激光熔覆层的冶金质量。熔覆层合金与基材材料的熔点差异过大时，熔覆合金与基材形成不了良好的冶金结合。熔覆层合金熔点过高，熔覆层熔化小，表面光洁度下降，且基材表层过烧严重污染覆层；反之，涂层过烧，合金元素蒸发，收缩率增加，破坏了覆层的组织与性能。同时基材难熔，界面张力增大，涂层与基材间难免产生孔洞和夹杂。在激光熔覆过程中，在满足冶金结合时，应尽可能地减少稀释率，研究表明，对于不同的基材材料与搜层合金化时所能得到的最低稀释率并不相同，一般认为，稀释率保持在5%以下为宜。②气孔。它产生的原因主要是，涂层粉末在激光熔覆前氧化、受潮或有的元素在高温下发生氧化反应，在熔覆过程中就会产生气体。再者激光处理是一个快速熔化和凝固过程，产生的气体如果来不及排出，就会在涂层中形成气孔。③激光熔覆过程中成分及组织不均匀。在激光熔覆过程中往往会产生成分不均匀，即所谓成分偏析以及由此带来的组织不均匀。产生成分偏析的原因很多。首先，在激光熔覆加热时，其加热速度极快从而会带来从基材到熔覆层方向上的极大的温度梯度。其次，是由于熔池的对流而带来的成分偏析。另外，由于合金的性质，如黏度、表面张力及合金元素间的相互作用都将对熔池的对流产生影响，故它们也必将对成分偏析造成影响。④开裂及裂纹。激光熔覆裂纹产生的主要原因是由于激光熔覆材料和基材材料在物理性能上存在差异，加之高能密度激光束的快速加热和急冷作用，使熔覆层中产生极大的热应力。通常情况下，激光熔覆层的热应力为拉应力，当局部拉应力超过涂层材料的强度极限时，就会产生裂纹，由于激光熔覆层的枝晶界、气孔、夹杂处强度较低且易子产生应力集中，裂纹往往在这些地方产生。

激光熔覆制备非晶涂层的影响因素：（1）基体晶粒的外延生长；（2）涂层成分分数的不均匀性；（3）涂层合金熔池表面不可避免的氧化现象-非晶合金形成最为敏感。

强流脉冲电子束（HCPEB）是近年来发展起来的一种有效的材料表面改性技术，在HCPEB辐照过程中，短时间的高密度电子脉冲可以在表面层引入不同的物理过程，如快速熔化-凝固，蒸发-冷凝以及表面平滑和退火。这些非平衡过程很容易改变表面形貌、微观结构、化学成分、相结构和表面应力状态。以往的许多研究表明，HCPEB辐照可以有效地改善激光熔覆涂层表面的力学性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有激光熔覆技术制备非晶涂层存在的缺陷，提供一种基于激光熔覆与脉冲电子束辐照的非晶涂层制备方法。