一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法技术

一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法，其特征是：利用脉冲电子束技术代替机加工，对利用激光熔覆技术在高温合金基体表面制备好的高温防护涂层进行脉冲电子束抛光及净化处理，以去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面杂质、空隙、枝晶偏析缺陷，细化熔覆层表层晶粒，获得抛光、净化且细化的涂层表面，有效降低熔覆层表面粗糙度并提高其高温防护性能。本发明专利技术能进一步实现熔覆层表层晶粒超细化甚至纳米级细化，产生丰富的变形结构，进而有效提高熔覆层表面耐磨性、抗氧化性及抗腐蚀性能力。

A polishing and cleaning method of laser cladding high temperature protective coating based on pulse electron beam technology

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法
本专利技术涉及一种表面处理技术，尤其是一种激光熔覆层表面的高能束表面改性技术，具体地说是一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法。
技术介绍
MCrAlY高温防护涂层因其优异的抗高温氧化及热腐蚀的能力，以及成分可以根据不同的工况条件进行选择，目前是各类燃气涡轮发动机上必不可少的热防护材料。惰性气体保护下的激光熔覆技术在制备组织致密细小、稀释率低、与基材冶金结合的金属涂层方面展现出独特的优势。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，激光熔覆涂层普遍表面十分粗糙，防护性能差，通常都需要进行机械加工，以去除表面粗糙度及氧化皮的影响，但与此同时，机加工会造成工件表面变形，产生更大的加工应力，并且会留下较多的表面缺陷；此外，激光熔覆层很容易生成有害相及造成组织偏析，在高温服役环境下，涂层表面成分不均会严重影响其表面保护性氧化膜的连续生成，进而影响涂层的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有的MCrAlY高温防护涂层加工后为去除表面氧化层提高粗糙度而通常采用机械加工技术进行表面处理易导致工件变形、应力集中和表面缺陷的问题，专利技术一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法，即利用脉冲电子束技术代替机加工，利用脉冲电子束低能、短脉宽、高轰击次数等技术特点，直接去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面空隙、枝晶偏析等缺陷，细化熔覆层表层晶粒，进而提高熔覆层表层高温防护性能。本专利技术的技术方案是：一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法，其特征是：利用脉冲电子束技术代替机加工，对利用激光熔覆技术在高温合金基体表面制备好的高温防护涂层进行脉冲电子束抛光及净化处理，以去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面杂质、空隙、枝晶偏析缺陷，细化熔覆层表层晶粒，获得抛光、净化且细化的涂层表面，有效降低熔覆层表面粗糙度并提高其高温防护性能。所述的高温防护涂层的制备包括以下步骤：（1）将待熔覆高温合金基体表面进行打磨、抛光处理，并利用丙酮及酒精去除表面油渍及污垢；（2）采用同轴送粉式激光熔覆技术在基体表面制备高温防护涂层；所述的高温防护涂层为NiCrAlY、NiCoCrAlY、CoCrAlY、CoNiCrAlY，粉末颗粒度为200~400目。所述的激光熔覆参数为：光斑直径3mm，激光功率1.0~2.0kW，扫描速度10~20mm/s、搭接率20~50%，采用同轴送粉方式在基体表面制备高温防护涂层，并用氩气保护粉末以防氧化。所述脉冲电子束参数为：能量密度4~8J/cm2、脉宽1.5μs、轰击次数30~60次。本专利技术创新在于技术方法及技术效果创新。技术方法创新在于利用脉冲电子束处理技术抛光净化激光熔覆层；技术效果创新在于脉冲电子束处理可以有效去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面空隙、枝晶偏析等缺陷，细化熔覆层表层晶粒，有效提高了熔覆层高温防护性能。本专利技术针对现有的激光熔覆存在的问题，从制备工艺入手，提出一种利用脉冲电子束技术抛光净化激光熔覆高温防护涂层的处理办法。而脉冲电子束表面处理技术是一种新型的表面处理技术，其主要特点为在真空环境下，利用脉冲电子束辐照材料表面，使其表层快速加热、熔化甚至汽化，并在此过程中会诱发火山坑状熔坑以实现杂质喷发；当脉冲辐照后，借助材料自身导热快速冷却并凝固，并伴随产生极大的残余应力，进而降低材料表面粗糙度、净化材料表面、并有效细化表层晶粒及产生丰富的变形结构。此专利技术制备的涂层具有更优良的高温防护性能，满足实际应用的需求。本专利技术具有以下优势：（1）激光熔覆技术能够在金属表面制备一层组织致密细小、与基体结合强度高的优质涂层，是一种成熟的涂层制备技术；（2）脉冲电子束技术束斑直径大（~Φ60mm），可以实现大面积辐照处理；短脉冲和强束流配合能够产生高能量注入，可将材料表层瞬间加热(109K/s)、熔化甚至汽化；形成极限温度梯度(107~8K/m)，并借助基体的导热急剧冷却(~107K/s)，并诱发超高应变速率的巨大应力，在有效抛光、净化熔覆层表面同时，可以进一步实现熔覆层表层晶粒超细化甚至纳米级细化，以及产生丰富的变形结构，进而有效提高熔覆层表面耐磨性、抗氧化性及抗腐蚀性能力。（3）脉冲电子束技术是在真空条件下进行，可以有效避免涂层氧化，且脉冲电子束是纯能量运输过程，不仅克服了离子束辐照带来的离子杂质对材料的影响问题，比离子束的改性层深度也大很多，而且比激光束能量利用率要高出很多。附图说明图1是本专利技术的激光熔覆MCrAlY涂层表面形貌。图2是本专利技术的脉冲电子束抛光净化处理后MCrAlY熔覆层表面形貌。图3是本专利技术的脉冲电子束抛光净化处理后MCrAlY熔覆层表面局部放大形貌。具体实施方式下面结构附图和实施例对本专利技术作进一步有说明。以下为激光熔覆与脉冲电子束复合技术制备高温防护涂层的实例，结合附图详细说明该复合工艺的具体制备方法。实施例1：（1）将高温合金基体表面进行打磨、抛光，并用丙酮和酒精进行超声波清洗；（2）利用同轴送粉式激光熔覆技术在基体表面制备NiCrAlY高温防护涂层，根据激光熔覆设备的技术要求选择：光斑直径3mm，激光功率1.0KW，扫描速度10mm/s、搭接率20%，氩气保护；（3）利用脉冲电子束技术直接辐照处理NiCrAlY熔覆层，根据脉冲电子束设备的技术要求选择：真空度P≤8×10-3Pa，能量密度为4J/cm2，脉宽1.5μs，轰击次数30次采用扫描电子显微镜对脉冲电子束辐照处理前后的涂层表面形貌进行观察，原始涂层表面存在一层非常厚的氧化皮，涂层表面性能较差；经过脉冲电子束辐照处理后，30次辐照处理涂层表面氧化膜部分被清除，涂层表面粗糙度降低，表面晶粒尺寸相对较小；对以上两种涂层进行高温氧化实验，原始涂层氧化50h后表面氧化皮发生大面积剥离，氧化物成分不均匀，且氧化以失重为主；脉冲电子束处理后涂层氧化失重仅为原始涂层的1/3，涂层表面形成的氧化膜较为致密，氧化膜以混合氧化物为主，涂层抗高温氧化性能有所提高。实施例2：（1）将高温合金基体表面进行打磨、抛光，并用丙酮和酒精进行超声波清洗；（2）利用同轴送粉式激光熔覆技术在基体表面制备NiCoCrAlY高温防护涂层，根据激光熔覆设备的技术要求选择：光斑直径3mm，激光功率1.3kW，扫描速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法，其特征是：利用脉冲电子束技术代替机加工，对利用激光熔覆技术在高温合金基体表面制备好的高温防护涂层进行脉冲电子束抛光及净化处理，以去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面杂质、空隙、枝晶偏析缺陷，细化熔覆层表层晶粒，获得抛光、净化且细化的涂层表面，有效降低熔覆层表面粗糙度并提高其高温防护性能。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲电子束技术的激光熔覆高温防护涂层表面抛光净化方法，其特征是：利用脉冲电子束技术代替机加工，对利用激光熔覆技术在高温合金基体表面制备好的高温防护涂层进行脉冲电子束抛光及净化处理，以去除熔覆层表面氧化皮，消除加工缺陷，并进一步消除激光熔覆层表面杂质、空隙、枝晶偏析缺陷，细化熔覆层表层晶粒，获得抛光、净化且细化的涂层表面，有效降低熔覆层表面粗糙度并提高其高温防护性能。


2.根据权利要求1所述的方法；其特征是所述的高温防护涂层的制备包括以下步骤：
（1）将待熔覆高温合金基体表面进行打磨、抛光处理，并利用丙酮及酒精去除表面油渍及污垢；
（2）采用同轴送粉式激光熔覆技术在基体表...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡杰，高承钻，李晨，吕鹏，关庆丰，李玉新，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32