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1、表面技术年第卷第期金属材料的激光陶瓷涂层和涂膜绍兴管道煤气公司范恩荣 摘要 介绍采用激光技术对金属材料沉积陶瓷涂层和涂膜的原理和工获得的陶瓷徐层和涂膜可以改善金属材料的表面性质并赋予其特殊的性能。关键词激光技术表面改性陶瓷涂层陶瓷涂膜诬 厂啥七,产口曰近年来国外正在研究和推广用激光对金属材料制备 陶瓷涂层和徐膜的新工艺,这是因为陶瓷材料具有比金属高的硬度、耐磨性、对各种介质高的耐腐蚀性及高耐热性等优良性能,并且还可以根据使用要求制备各种特殊的陶瓷涂层和徐膜,如具有优良介 电性能涂膜,具有超导性能徐膜等等。而且用激光制备涂层和涂膜,所能达到的涂层和涂膜性能是任何其它热处理工艺都达不到的。这是因为
2、激光具有高的能量密度,高度定向性,并能任意调节射 线工艺参数,所徐的膜的结构和厚度容易控制,所涂的材料不会产生机械应力,并 且还 可 以改变材料的脆性和透孔结构,母及改善材料的表面性质。用激步徐层与徐膜可以获得致密、无裂纹、高硬度和组织细化的涂层和涂膜。激光涂层和涂膜的原理和激光选择激光涂层和涂膜的原理是它是 一种快速光一热转换的热作甩。激光射线以辐射光能对申瓷进行作用,陶瓷表面吸收辐射光能并转换成热能,使陶瓷温度急剧升高,引起陶瓷的重熔与改性即一系列相形成和相变化通过控制激光功率密度和处理时间来获得不 同性质不同厚度陶瓷涂层和涂膜。为了使光辐射能被加工陶瓷材料完全吸收必须选择合适激光波长,一
3、般说陶瓷对红外光能强 烈吸收,激光器输出波 长在红外光谱之内,明显的是,毫微米,所以常用激光器制备陶瓷涂膜和涂层,实践证明,陶瓷对二氧化碳激光吸收率接近。如、陶瓷等,采用激 光器 还有如 下优点激光器具有长期输出能量的稳 定性。具有高的输出能量。陶瓷激光处理也可 以采用钦忆铝石榴石激光器,因忆铝石榴石的结晶蚝中掺人后、经 振荡发 出毫米波长的激光。并且它同。激光器一样既可以发出连续激光,也可以发出脉冲激光。目前从发展观点看,准分子激光器将在某些激光陶瓷徐层和 涂膜 中取代激光器和 钦 忆铝石榴石激光器。用激光制备陶瓷涂膜和涂层在较低的激光功率密度 下就能进行,发现使 陶瓷表面熔化的闽值,比金属
4、 的要低得多,陶瓷仅。,而金属高达以上。收稿日期一一,范恩荣金属材料的激光陶瓷涂层和涂膜制备激光陶瓷涂层和涂膜的方法激光 陶瓷涂层和涂膜既可以从 陶瓷材料中获得,也可以在特定的工艺条件下,通过化学反应从金属、聚合物,需涂基体和化合物的气相中获得。从陶瓷材料 中通过激光处理获得陶瓷涂层在金属制 品上进 行激光 陶 瓷涂敷,可以预先对 金属制品表面进行 陶瓷涂敷,后进行激光处理,也可以直接用激光方法对金属制品进行陶瓷涂敷,预先涂敷可以采用各种方法,例如用等离子 和气体 等离子 喷 涂 方法可以获得。陶瓷涂层,或和陶瓷涂层,或和陶瓷 涂 层,如在钢和合金钢上激 光 涂和涂层,其厚度为一,该层显微硬
5、度 为,而 且层与钢基体结合紧密。成功地在钦及合金表面用功率为的激光及细度为陶瓷进行涂敷,使涂层显微硬度高达,而原始材料显微硬度为,并因有局部熔解现象,因而与金属基体结合良好。在某些情况下先喷涂过渡层、过 渡层应 具有涂层和金属制品 中间值的热膨胀系数。当用脉冲方式的激光处理以后发现,涂层 和金属制品表面相 互作 用使过渡层中镍铬合金和陶 瓷 中三 氧化二铝,二 氧化错扩散到金属制品表面,这时涂层成 了多孔性,使金 属制品的金属 分 子也 能相应 扩散到陶瓷中。氧化铝陶瓷涂层 当用散焦的连续方式激光射线处理以后,在涂 层表面能形成氧化铝一变体,以致使涂层具有很高显微硬度。在某些情况 下,为 了
6、对 需激光处理的涂 层进行变性处理。可以在具有活性化学气氛下进行涂层,以使涂层与气体相互作用。若在惰性气体 中,用激光进行陶瓷涂敷可以获得更微密结构,没有微孔,具有高的热稳定性和耐腐蚀 性涂 层日本 专利申 请一。并 具实践证实降低激光射线密度和 处理速度是减少涂层气孔数量最简单方法。例如对于获得硅酸错涂层,为了减少涂层气孔率,采用二氧化碳激 光器,其功率为一瓦,移动速度 为一,激光焦 点位置比处理材料表面低毫米或者高毫米。对于陶瓷,陶瓷或陶瓷 的涂 层,采 用功率比较强的二氧化碳激光器射线,但过份增加激光器射线功率,会造成涂层产生皱纹的危险。也可以对所涂制品先 进行加热到一后再进 行。陶瓷、
7、陶瓷、陶瓷激光涂层。对这样的涂层用两支互相垂直一射线进行扫描分析 发现有一。拼熔融层,并发现涂层气孔率从降低到,粗糙度大大减小,并且还改善了涂层耐磨强度旧本专利申请一。先涂敷并进行高温区域熔化也能促进改善涂层性质,其中可以获得在 负载一一帕斯卡下工作的耐磨和混合物涂层。它采用二氧化碳激光器,其工艺参数如下激光加工 区宽度 为一,射线密度,射线移动速度。通过试验表明 用激光处理试样比不处理试样,耐磨性增加倍。从聚 合物或金属在特 定的介质下通过激光处理获得陶瓷涂层除涂陶瓷涂层外,可以在制品表面先涂 聚合物或金属,在激光处理时,采取特定的介质使它转化为陶瓷涂层。例如 在惰性气体或真空条件下,用激光
8、射线对聚合物进行处理,可以获得碳化硅涂层美国专利。在、等气体介质下,在处理材料上进行 铝、铬、钦等金属涂层,可以形成 具有蚝陶瓷,陶表面技术年第卷第期瓷,陶瓷,陶瓷的涂 层,它 具有高 的热稳定性,耐磨性、耐腐蚀性日本 专利申请一一。也可以用 一 种 或几种 金 属粉、等加入有机粘结剂,将它涂在制品上,然后用上述类似方法进行激光 处理,可以获得各种陶瓷涂层日本专利申请一。具有高的耐磨性和耐腐蚀性。气相沉积激光涂膜法化学变性激光陶瓷涂膜该方法是在金属制品上不涂任何其它物质而直接进行激光处理,在进行激光处理 时,同时还通入气体流,以引发涂层区产 生化学反应,使制品表面 出现金属与气体反应的化合物膜
9、。例如 含钦或含钦和错 的金属制品,在高压氮气流中进行激光处理,形成相应钦和错氮化物薄膜。通过改变激光射线参数,可以控制形成的薄膜。膜的厚度受射线脉冲最高温度,脉冲频率的影响。也可以在高压氧气流中对金属制品进行处理,通过控制激光射线参数,可以控制氧化物陶瓷薄膜生 长速度和多相氧化物薄膜的相成份。该方法原理是 处理 制 品放在 一定气相物质下,该气相 物质受激光 射线作用产生分解 沉积到需涂制品表面形成陶瓷薄膜。目前已采用上述方法获得二氧化硅和三氧化二铝薄膜涂层及碳化硼和碳 的薄膜涂层。该方法采用氢激光器射线,并用脉冲方 式输出的激光,这样它 可以同时对所涂气 相物 质进行激光处理和离解东德专利
10、。用激光制备超导薄膜泥浆喷涂激光陶瓷涂膜将泥浆状金属粉末喷涂在制品上进行激光处理,一边喷涂泥浆状金属粉末,一边进行激光处理,此时需采用连续方式输出激光进行 喷涂,因为在这种情况可以保证泥浆输送和激光射线作用同步。例如在惰性气体介质中,在钢制品上进行泥浆状铬粉末喷涂 的激光 处理,使钢制品上形成铬和铬的碳化物均 匀膜涂层,这薄膜采用脉冲激光真空蒸发一一一系统陶瓷靶来获得超导薄膜。采用激 光溅射获得超导薄膜。用激光溅射法制备超导膜多采用准分子激光器,这 主要因为准分子激光波 长短,光子能量大、脉宽窄。目前已有许多关于采用布、准分子激 光成功地在、等不同基片上制备一一一、一一一、一一一一高 温 超导薄 膜的研究报导。金属材料表面进行激光陶瓷涂敷是一项很有开拓前途的新工艺,它 的推广应用必定会 为开发各种耐热、耐磨、减摩、高度化学 稳定性及具有特殊性能的功能材料提供广阔前景。,、气八六产沪甲丫勺、八八户沪护甲,、入八产产沪护岁,、入八产产沪甲甲、户甲、八护、内“上接页第七种电抛光工艺第六种电抛光工艺硫酸一重量比磷酸写重量比甘油一重量比铬酸重量比水余量重量比水余量重量比电流密度 最小值电流密度“重量比温度一。温度一表面技术年第卷第期喃,叮,劝口乙何,刀,一一,乙。,一一一一一韶,口一,