基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法技术

本申请公开了一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法。该厚膜组合材料芯片高通量制备方法包括以下步骤：(1)用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片；(2)利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化；(3)将组合材料芯片进行切割、表征、筛选，即得产品。本申请解决了传统材料研发的高成本、长周期的问题。

High-throughput fabrication of thick-film composite material chips based on multi-source plasma spraying and laser post-processing

【技术实现步骤摘要】
基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法
本申请涉及金属材料组合芯片领域，具体而言，涉及一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法。
技术介绍
材料的创新不仅是发展各种颠覆性技术的核心要素，更是现代高端制造业的基石和科技发展的载体，然而以“试错法”为主的传统材料研发的速度已经不能满足当前社会的发展需求，所以迫切需要开发出快速有效的研发新材料的手段。以磁控溅射方法为主的薄膜组合芯片的高通制备已经较为成熟，然而针对熔点较高的厚膜制备还没有出现，所以针对厚膜的高通量组合材料芯片的制备技术得到大家关注。
技术实现思路
本申请的主要目的在于提供一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，以解决传统材料制备的高成本、长周期的问题。为了实现上述目的，本申请提供了以下技术方案：一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，包括以下步骤：(1)用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片；(2)利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化；(3)将组合材料芯片进行切割、表征、筛选，即得产品。进一步地，用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片，包括以下步骤：1a、选取所要制备的组合材料芯片成分元素的纯金属粉末；选取组合材料芯片基材；1b、对基材进行表层喷砂处理，并用丙酮溶液和乙醇溶液清洗基材后放入干燥箱内干燥；1c、将纯金属粉末分别倒进不同的智能梯度喂料系统的喂料罐内，根据材料芯片的成分梯度计算每个喂料罐的出粉速度并设置每个喂料罐的出粉速度，出粉气压以及气体流速，使各纯金属粉末平稳连续进入多路混粉器内进行混粉后在气流带动下进入等离子火焰中心；1d、设置等离子喷涂设备工艺参数，使混合后的金属粉末在氩气氛下均匀、高效地沉积在基材上；1e、对上述成分梯度变化的组合材料芯片进行低温时效处理，温度低于材料再结晶温度，得组合材料芯片。进一步地，利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化，包括以下步骤：2a、激光处理组合材料芯片之前将样品放置在热处理炉内加热至再结晶温度以下，并迅速将芯片移至工作台；2b、将组合材料芯片放置在高能激光设备工作台上并固定样品，调制合适参数，使高能激光器在流动氩气保护下进行激光处理，使组合芯片的组织合金化。进一步地，步骤(3)具体操作如下：将组合材料芯片采用线切割分割成尺寸20*10㎜2的小块，经表面打磨后，按照成分设计方向依次排列整齐，选取多个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立芯片硬度与成分和物相的关系，实现优化组合材料芯片内部优质成分的筛选，进而获得多个性能优异的材料。进一步地，步骤1a中组合材料芯片基材是与组合材料芯片主要组成成分元素相同的纯金属板材。进一步地，步骤1b中的干燥温度为160-200℃，干燥时间为1.5-2.5h。进一步地，步骤1c中成分梯度计算满足以下公式：其中，n1第一组元物质的量,n2第二组元物质的量，a为实验参数，ρ1第一组元密度，ρ2第二组元密度，P1装有组元1的喂料罐气流压强，P2装有组元2的喂料罐气流压强，υ气1装有组元1的喂料罐气流量，υ气2装有组元2的喂料罐气流量，υ转1装有组元1的喂料罐下刮盘转速，υ转2装有组元2的喂料罐下刮盘转速。进一步地，步骤1d中，金属粉末沉积在基材上的厚度为300-400μm。进一步地，激光器区域熔炼方程满足下式：其中，ρs为凝固体积的质量浓度，ρ0为为凝固区质量浓度，k0为平衡分配系数，x为已重熔长度，l融化区域长度该式表示经一次区域熔炼后随凝固距离变化的固溶体质量浓度变化。进一步地，所述组合材料芯片中的组元材料为2-5种。本专利技术的有益效果在于：本专利技术的方法法突破了传统材料制备的高成本、长周期的固有缺陷，该方法避免了传统材料研发过程中的配料、熔炼，制样等漫长步骤，本专利技术可以实现实验室状态下的金属样品的快速连续制备，使样品研发的速度指数倍提高，成本大幅度减少。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面将结合实施例来详细说明本申请。实施例1一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，包括以下步骤：(1)用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片：1a、选取所要制备的组合材料芯片成分元素的纯金属粉末；选取组合材料芯片基材；其中，组合材料芯片基材是与组合材料芯片主要组成成分元素相同的纯金属板材；1b、对基材进行表层喷砂处理，并用丙酮溶液和乙醇溶液清洗基材后放入干燥箱内干燥；其中，干燥温度为160-200℃，干燥时间为1.5-2.5h；1c、将纯金属粉末分别倒进不同的智能梯度喂料系统的喂料罐内，根据材料芯片的成分梯度计算每个喂料罐的出粉速度并设置每个喂料罐的出粉速度，出粉气压以及气体流速，使各纯金属粉末平稳连续进入多路混粉器内进行混粉后在气流带动下进入等离子火焰中心；1d、设置等离子喷涂设备工艺参数，使混合后的金属粉末在氩气氛下均匀、高效地沉积在基材上；其中，金属粉末沉积在基材上的厚度为300-400μm；1e、对上述成分梯度变化的组合材料芯片进行低温时效处理，温度低于材料再结晶温度，得组合材料芯片；(2)利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化：2a、激光处理组合材料芯片之前将样品放置在热处理炉内加热至再结晶温度以下，并迅速将芯片移至工作台；2b、将组合材料芯片放置在高能激光设备工作台上并固定样品，调制合适参数，使高能激光器在流动氩气保护下进行激光处理，使组合芯片的组织合金化；(3)将组合材料芯片采用线切割分割成尺寸20*10㎜2的小块，经表面打磨后，按照成分设计方向依次排列整齐，选取多个点进行微区衍射和能谱分析，然后进行显微硬度测试，快速建立芯片硬度与成分和物相的关系，实现优化组合材料芯片内部优质成分的筛选，进而获得多个性能优异的材料。上述所述的智能梯度喂料系统，是通过控制气体流量、气体压强、喂料罐转速、粉末出口点到火焰中心距离等参数实现设计连续成分，连续梯度成分设计(以二组元原子比计算为例)满足以下公式：其中，n1第一组元物质的量,n2第二组元物质的量，a为实验参数，ρ1第一组元密度，ρ2第二组元密度，P1装有组元1的喂料罐气流压强，P2装有组元2的喂料罐气流压强，υ气1装有组元1的喂料罐气流量，υ气2装有组元2的喂料罐气流量，υ转1装有组元1的喂料罐下刮盘转速，υ转2装有组元2的喂料罐下刮盘转速。上述混粉器，使各喂料罐送出的稳定的粉流在气流量和压强可控保护气体下进入混粉器，混粉器设计考虑到气体动力学原理，使各路粉流在混粉器内部多路径回旋往复运动后进入单出粉口后流出，多路粉流进入混粉器后经混粉器整流流出，粉末出粉速度和粉量更加平稳，进入火焰中心的位置明确固定，保证整个制备过程的不同成分点在相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片；(2)利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化；(3)将组合材料芯片进行切割、表征、筛选，即得产品。

【技术特征摘要】
1.一种基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片；(2)利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化；(3)将组合材料芯片进行切割、表征、筛选，即得产品。2.根据权利要求1所述的基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，其特征在于，用多工位等离子喷涂设备预制备成分沿基底表面方向连续变化的组合材料芯片，包括以下步骤：1a、选取所要制备的组合材料芯片成分元素的纯金属粉末；选取组合材料芯片基材；1b、对基材进行表层喷砂处理，并用丙酮溶液和乙醇溶液清洗基材后放入干燥箱内干燥；1c、将纯金属粉末分别倒进不同的智能梯度喂料系统的喂料罐内，根据材料芯片的成分梯度计算每个喂料罐的出粉速度并设置每个喂料罐的出粉速度，出粉气压以及气体流速，使各纯金属粉末平稳连续进入多路混粉器内进行混粉后在气流带动下进入等离子火焰中心；1d、设置等离子喷涂设备工艺参数，使混合后的金属粉末在氩气氛下均匀、高效地沉积在基材上；1e、对上述成分梯度变化的组合材料芯片进行低温时效处理，温度低于材料再结晶温度，得组合材料芯片。3.根据权利要求1或2所述的基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，其特征在于，利用高能激光器对组合材料芯片进行后处理，使上述组合材料芯片成分合金化，包括以下步骤：2a、激光处理组合材料芯片之前将样品放置在热处理炉内加热至再结晶温度以下，并迅速将芯片移至工作台；2b、将组合材料芯片放置在高能激光设备工作台上并固定样品，调制合适参数，使高能激光器在流动氩气保护下进行激光处理，使组合芯片的组织合金化。4.根据权利要求1所述的基于多源等离子喷涂和激光后处理的厚膜组合材料芯片高通量制备方法，其特征在于，步骤(3)具体操作如下：将组合材料芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾延东，徐龙，王刚，穆永坤，张靓博，易军，黄波，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31