一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法技术

一种在材料表面制备成分可调的改性层或涂层的方法，该方法基于一种采用电爆炸、气体燃烧爆炸和等离子体多重能量叠加的材料表面处理方法，根据材料的不同改性要求，改变能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素和气体中的元素转化成高能粒子流作用于材料表面，同时兼具激热激冷的特点，从而在材料上形成微纳米晶组织和成份可调的金属材料表面改性层和涂层，使得材料的表面强度、硬度、耐磨或耐腐蚀性能大幅提升，进而成倍显著提高工件的服役寿命。本方法的优点在于无需真空环境，工艺简单，效率高，能耗低，改性层和涂层与材料基体结合力强，质量高。

【技术实现步骤摘要】

        本专利技术涉及一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，属金属材料表面改性

技术介绍
    表面性能是决定刀具、模具和汽车发动机零件等机械工件服役寿命的主要因素，通过表面强化技术提高工具和机械零件的耐磨、疲劳和耐蚀性能是全球科研与工业化发展的重要方向。国内外对材料表面性能的改性技术主要包括化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)；表面涂层(低压等离子喷涂、低压电弧喷涂、激光重熔复合等薄膜镀层、物理气相沉积、化学气相沉积等)。化学热处理是应用最多、最广泛的表面强化技术，但其也存在明显的缺点，如处理温度高、工件变形大、环境污染严重、生产率低等，常规化学热处理已不符合当前时代发展的需求。表面涂层技术中激光强化技术由于能量过于集中，对涂层材料与基体材料受热加工存在明显差异，涂层经常出现开裂和剥落现象。等离子喷涂、气相沉积等表面强化技术，主要是在材料的表面另外再覆盖一层厚度为几微米的强化薄膜，以强化被覆盖材料的性能，改善材料的表面性能。由于强化薄膜附着基体材料上面，薄膜结合程度对被强化材料的表面形状、材料表面光洁程度、材料自身的热处理性能要求高，同时技术上需要高温结合，对被强化材料的回火温度要高，需高质量的合金材料来进行加工，存在着技术工艺流程长、强化层易脱落的问题。
技术实现思路
    本专利技术的目的是，为了克服目前已有表面改性技术得到的改性层或薄膜出现的易脱落、开裂及预处理过程长的缺点，公开一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法。本专利技术的技术方案是，本专利技术一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法采用多重高能量叠加对材料表面进行处理，根据材料的不同改性要求，改变能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素和气体中的元素转化成高能粒子流作用于材料表面，同时兼具激热激冷的特点，从而达到在材料表面制备不同成分的微纳米晶组织改性层和涂层的要求。本专利技术多重高能量叠加，是同时施加两种或三种高能量作用于材料表面，能量施加类型为气体燃烧爆炸-电极放电或电爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电。本专利技术实现步骤如下：（1）根据材料的改性或强化要求，选择合适的高能量叠加方案；（2）选用合适的电极材料，合适的爆炸气体和合适的环境气氛；（3）对材料表面进行1次或多次轰击的处理，直至完全处理整个材料表面。本专利技术形成的高能粒子流的速度 v=3000~8000m/s；高能粒子流的能量密度为104~107W·m2·s；温度为8000~12000K；加热速度为约107K/s；冷却速度为108K/s。本专利技术采用的电极材料：包括各种导电的纯金属、合金、复合材料或非金属材料；所述纯金属材料包括钨、钼、钛、铜、铁、锌或铝；所述合金材料包括合金钢、M-金属，RE-稀土或非晶合金；复合材料包括金属-陶瓷复合材料或金属基石墨复合材料；非金属材料为石墨。本专利技术采用合适的爆炸气体是能与氧气混合产生爆炸的可燃性气体，包括氢气、甲烷、乙炔、丙烷、丁烷或其中某几种的混合气体。本专利技术实现选用合适的环境气氛为大气环境或其他气氛环境；其他气氛环境包括氮气、氩气、氦气、氨气环境。本专利技术方法通过改变该能量叠加方法中能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素通过电爆炸形成等离子体或微细液滴，在气体燃烧爆炸产生的爆炸焰流的加速的同时，电极与材料表面放电形成高压电弧，击穿环境气氛，最终使电极和环境气氛中的元素在多种高能量叠加的共同作用下形成高能粒子流作用于材料表面。材料表面在高能粒子流的轰击下，兼具激热激冷效应，表层产生强烈的塑性变形，晶粒内部产生大量的位错，随着应变的增加，位错交互缠结将原始晶粒不断细化成为微纳米晶结构。晶粒细化的同时，电极与环境气氛中的化学元素形成的等离子体渗入表层或发生化学反应在表层形成涂层结构。根据材料表面的改性要求，通过改变电极材料和环境气氛，可在材料表面生成所需结构和成分的微纳米晶组织改性层和涂层。本专利技术的有益效果是，本专利技术在材料表面可形成一层致密的微纳米晶结构改性层，改性层的结构和厚度可根据能量的不同进行调节。本专利技术可实现元素共渗，根据材料表面的性能要求，采用适当叠加能量与电极材料及气氛，可实现电极元素和气氛元素在材料表面的共同渗入，形成成分可调的改性层。通过一定的能量叠加，可在材料表面改性层上形成新的涂层。本专利技术形成的改性层和涂层与基体的结合力强、质量高。改性层和涂层与基体是冶金结合，材料表面获得综合性能良好的硬度、磨损或耐腐特性。本专利技术适用于金属材料表面的改性和形成所需要的表面涂层。附图说明图1为本专利技术实施流程图；图2为实施例1中，为T8高碳钢材料改性层截面显微镜图；图3（a）T8高碳钢材料改性层表层有钨元素渗入显微镜图；图3（b）T8高碳钢材料主要检测点的铁、铬、钨含量比较表；图4为实施例2中，H13材料经高能量叠加方法处理后改性层的晶粒结构图；图5为实施例3中，T8高碳钢采用（高压爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电）方案处理后的改性层晶粒结构图；图6为实施例7材料表层铬与镍元素的含量与处理次数的关系图。具体实施方式结合本专利技术的内容提供以下实施例：实施例1等离子体枪体采用双钨电极，电极直径均为φ5mm，环境气氛为大气，可燃气体为丙烷，采用（高压爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电）方案。选用T8高碳钢为处理的材料，材料尺寸为19.05㎜×12.32㎜×12.32mm，材料表面磨光，原始材料表面的显微硬度为HV100407。处理工艺如前所述，处理次数为2次，经高能量叠加方法处理后，材料改性层厚度约为53μm，T8表面的显微硬度提高至HV100843.5，耐磨性能采用GB/T 12444-2006进行测试，经处理后耐磨性能提高2倍。材料改性层截面见附图2。材料改性层表层有钨元素渗入，见附图3。实施例2等离子体枪体的电极采用双钨电极，电极直径均为φ2mm，环境气氛为N2气，可燃气体为丙烷，采用（高压爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电）方案。选用H13为处理的材料，材料形状为块状，材料表面磨光，电极与材料表面间的距离是80mm。处理工艺如上，处理次数为4次，经高能量叠加方法处理后，材料表层形成与基体有明显不同结构的改性层，改性层的晶粒结构明显细化，且与表面的距离不同呈现不同的结构，见附图4。实施例3等离子体枪体的采用钨电极和钼电极，电极直径均为φ3mm，环境气氛为大气，可燃气体为甲烷与氢气的混合气，采用（高压爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电）方案。选用T8高碳钢为处理的材料，材料尺寸为19.05㎜×12.32㎜×12.32mm，材料表面磨光，原始材料表面的显微硬度为HV100407，电极与材料表面间的距离是50mm。处理工艺如前所述，处理次数为2次，经高能量叠加方法处理后，T8表面的显微硬度提高至HV100872.5，材料断口处可见改性层晶粒结构明显细化，见附图5。耐磨性能采用GB/T 12444-20本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，其特征在于，所述方法采用多重高能量叠加对材料表面进行处理，根据材料的不同改性要求，改变能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素和气体中的元素转化成高能粒子流作用于材料表面，同时兼具激热激冷的特点，从而达到在材料表面制备不同成分的微纳米晶组织改性层和涂层的要求。

【技术特征摘要】
1.一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，其特征在于，所述方法采用多重高能量叠加对材料表面进行处理，根据材料的不同改性要求，改变能量级数、电极材料、爆炸气体和环境气氛，使电极中的元素和气体中的元素转化成高能粒子流作用于材料表面，同时兼具激热激冷的特点，从而达到在材料表面制备不同成分的微纳米晶组织改性层和涂层的要求。
2.根据权利要求1所述的一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，其实现步骤如下：
（1）根据材料的改性或强化要求，选择合适的高能量叠加方案；
（2）选用合适的电极材料，合适的爆炸气体和合适的环境气氛；
（3）对材料表面进行至少1次的处理，直至完全处理整个材料表面。
3.根据权利要求1所述的一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，其特征在于，所述多重高能量，同时施加两种或三种高能量作用于材料表面，能量施加类型为气体燃烧爆炸-电极放电或电爆炸-气体燃烧爆炸-电极放电。
4.根据权利要求1所述的一种在材料表面制备成分可调的改性层和涂层的方法，其特征在于，所述高能粒子流的速度 v=30...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆磊，陆德平，邹晋，周喆，余玖明，张林伟，廖先金，付青峰，
申请(专利权)人：江西省科学院应用物理研究所，
类型：发明
国别省市：江西;36