一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，用微弧火花沉积装置，将块状金属或零件作为基体固定于所述的工作台上，将所述的基体与微弧火花沉积装置的阴极相连，所述的棒状金属作为电极固定于工作枪上，所述的工作枪与所述的微弧火花沉积装置的阳极相连，在保护气氛下，将电极靠近基体表面，所述的电极在所述的基体表面作规则或不规则移动，最终在所述的基体上形成一个由大量独立微柱体构成的阵列状表面。本发明专利技术简单实用、成本低，加工表面类型广，平面和曲面都能加工，同时增大了平整表面的表面积，得到的柱状微结构与基体结合牢固，可用于强化换热，轧辊打毛，热喷涂前处理，也可以与其他表面技术相结合制备复合涂层。

A method for preparing cylindrical array surface based on micro arc spark deposition technology

The invention discloses a method for fabricating cylindrical array surface based on micro-arc spark deposition technology. Using micro-arc spark deposition device, the bulk metal or part is fixed on the worktable as a substrate, and the substrate is connected with the cathode of the micro-arc spark deposition device, and the rod metal is fixed on the workbench as an electrode. On the gun, the working gun is connected with the anode of the micro-arc spark deposition device, the electrode is close to the surface of the substrate in protective atmosphere, the electrode moves regularly or irregularly on the surface of the substrate, and finally an array surface composed of a large number of independent micro-cylinders is formed on the substrate. The invention has the advantages of simple, practical, low cost, wide surface types, flat surface and curved surface processing, and enlarges the surface area of the flat surface. The obtained columnar microstructure can be used to strengthen heat transfer, roll hairing, thermal spraying pretreatment, and other surface technologies to prepare composite coatings.

【技术实现步骤摘要】
一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法
本专利技术涉及一种柱状阵列结构表面的制备方法，特别涉及一种基于微弧火花沉积技术制备具有柱状阵列结构表面的制备方法。
技术介绍
通过对材料表面处理可以提高材料表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、耐热性、抗疲劳强度等力学性能，以保证材料在高温、高压、重载以及强腐蚀介质工况条件下可靠的服役。将材料的平整表面加工成凹凸不平的表面，其作为一种表面处理方式一直受到人们的关注和研究。柱状阵列结构表面在工程中有众多的应用，例如轧辊打毛、金属喷镀前处理、超疏水表面的制备和换热强化等。为了能够更好的应用柱状阵列结构表面，深入研究其制备方法就显得尤为重要。目前，制备柱状阵列结构表面的方法有机械加工和腐蚀加工等方法。这些方法或多或少有其缺点，如操作复杂、设备成本高、对操作人员的要求也较高。微弧火花沉积又叫电火花沉积、电火花合金化、脉冲电弧焊接、脉冲电极堆焊等，是一种新型表面处理技术。它是利用脉冲电弧放电的原理，用导电材料(硬质合金、石墨等)作为工作电极(阳极)，在空气、特殊气体和液体中使之与被强化的金属工件(阴极)之间产生高频脉冲(0.1～4KHZ)放电，在10-6～10-5s内电极与工件接触的部位产生达到8000～25000℃的高温，利用该火花放电的能量，将熔化的电极材料熔渗至工件表面，形成具有冶金特性的强化层，从而使工件的物理和化学性能得到改善，提高零件的硬度、耐磨性、耐蚀性及热硬性等表面性能。由于其操作简单、热输入量小、热影响区小和工艺适用范围广等优点，近年来广泛应用于能源、航空、航天和军事等领域中来制备各种改性或强化表面。传统制备柱状阵列结构表面的方法多是基于材料去除的方式，且操作复杂，浪费严重，加工表面多局限于平面，本专利技术利用微弧火花沉积技术，通过在基体表面增加材料制备柱状阵列结构表面。
技术实现思路
为了扩展微弧火花沉积技术的应用范围，本专利技术之目的在于提供一种利用微弧火花沉积技术制备柱状阵列结构表面的方法。一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：(1)将块状金属或零件作为基体，将棒状金属作为电极，用砂纸打磨基体和电极表面，去除氧化层，然后清洗去除油污；(2)用微弧火花沉积装置，将步骤(1)所得的前处理后的基体固定于所述的工作台上，将所述的基体与微弧火花沉积装置的阴极相连，所述的棒状金属作为电极固定于工作枪上，所述的工作枪与所述的微弧火花沉积装置的阳极相连，在保护气氛下，将电极靠近基体表面，所述的电极在所述的基体表面作规则或不规则移动，最终在所述的基体上形成一个由大量独立微柱体构成的阵列状表面；所述的电极与所述的工作枪相匹配。进一步，步骤(1)中，所述的电极和基体的材料各自独立为铁基材料、镍基材料、钴基材料、钛基材料、铜基材料、铝基材料或镁基材料。再进一步，步骤(1)中，所述的其中铁基材料优选06Cr19Ni10、10Cr17或2Cr13，镍基材料优选Inconel625，钴基材料优选Stellite6，钛基材料优选TC4，铜基材料优选为H62或T2，铝基材料优选为7075，镁基材料优选为AZ31。更进一步，步骤(1)中，所述的基体的表面是平面或有弧度的曲面。进一步，步骤(2)中，所述的保护气氛可以为氩气、氮气、氦气或氢气中的一种或者氩气、氦气、氮气、氢气中的任意一种或两种与空气或氧气中的一种或两种混合的混合气体。再进一步，步骤(2)中，沉积试验在保护气体中进行时，将所述的基体和电极置于气氛保护装置中，测氧仪实时监测气氛保护装置中氧气的浓度，待到氧气浓度降低到0.03％～12.0％时，再进行微弧火花沉积试验。更进一步，步骤(2)中将所述的铁基材料、镍基材料和钴基材料置于气氛保护手套袋中进行沉积实验时，氧气浓度降低到0.07～12.0％时进行。更进一步，步骤(2)中将所述的钛基材料、铜基材料、铝基材料和镁基材料置于气氛保护手套袋中进行沉积实验时，氧气浓度降低到0.03～3.0％时进行。再进一步，步骤(2)中，所述的电极与基体之间的距离为1～180μm，电容为≥10μF，脉冲放电时间为≥1μs。更进一步，步骤(2)中，所述的电极与基体之间的距离优选5～90μm，电容优选200～800μF，脉冲放电时间优选20～50μs。更进一步，步骤(2)中，所述的电极在所述的基体表面移动为电极在接近基体表面做规则或不规则的连续运动或电极在接近基体表面先固定在一点，等到一个柱体沉积形成后，再移动到下一点进行微弧火花沉积。再进一步，步骤(2)中，所述的电极在基体表面连续运动的往返移动的速度为0.1～1.5cm/s。本专利技术所得柱状阵列的直径100～900μm，高度为50～2000μm，间距0.1～2mm。更为具体的，本专利技术所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法的整套实验装置包括：保护气钢瓶、工作枪、微弧火花沉积装置、气氛保护手套袋/箱、台钳以及测氧仪；所述台钳用于卡固基体，所述的气氛保护手套袋/箱用于包绕卡固基体后的台钳使台钳处于气密闭，所述的保护气钢瓶的通气口与所述的气氛保护手套袋/箱连接，所述的台钳测氧仪的测氧探头伸入所述的气氛保护手套袋/箱，所述的微弧火花沉积装置的阴极可与所述的基体电连接，所述的微弧火花沉积装置的阳极与所述的工作枪电连接；所述的气氛保护手套袋/箱设有与工作枪紧密配合的工作枪接口；所述的微弧火花沉积装置工作时，将基体与所述的微弧火花沉积装置的阴极接口连接并通过台钳旋钮固定于台钳上，并将所述的台钳气密闭置于气氛保护手套袋/箱中；所述的工作枪端部设有工作枪夹头，将电极固定于所述的工作枪夹头上，所述的工作枪与所述的微弧火花沉积装置的阳极接口连接；所述的保护气钢瓶与所述的气氛保护手套袋/箱连接，所述的测氧仪的测氧探头实时监测保护手套袋/箱中氧气含量；所述的工作枪通过所述的工作枪接口与所述的气氛保护手套袋/箱密闭连接，实验开始时，打开保护气体钢瓶气阀，向气氛保护手套袋/箱中通入保护气，待氧气的浓度降低到0.03％～6.0％时，开启调节微弧火花沉积装置并调节功率调节旋钮和模式调节旋钮，打开工作枪开关并将工作枪固定有电极的一端靠近基体进行微弧火花沉积试验。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术采用增材制造的方式进行柱状阵列表面的制备，操作简单方便，设备成本低且携带方便，加工表面类型广，平面和曲面都能加工，得到的微柱体与基体冶金结合，为强化换热、轧辊打毛、复合涂层、超疏水表面等的研究提供了参考。附图说明图1微弧火花沉积放电原理图；图2实验装置示意图，1为微弧火花沉积装置，2为阳极接口，3为工作枪，4为基体，5为台钳旋钮，6为气氛保护手套袋/箱，7为测氧探头，8为台钳，9为电极，10为工作枪夹头，11为阴极接口，12为功率调节旋钮，13为模式调节旋钮，14为气阀，15为保护气钢瓶，16为测氧仪；图3为实验流程图；图4为柱状阵列结构表面典型微观组织形貌图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本专利技术。本专利技术所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法的RC充放电原理图如附图1所示。本专利技术所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法的流程图附图3所示。本专利技术所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法的整套实验装置包括：保护本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：(1)将块状金属或零件作为基体，将棒状金属作为电极，用砂纸打磨基体和电极表面，去除氧化层，然后清洗去除油污；(2)用微弧火花沉积装置，将步骤(1)所得的前处理后的基体固定于所述的工作台上，将所述的基体与微弧火花沉积装置的阴极相连，所述的棒状金属作为电极固定于工作枪上，所述的工作枪与所述的微弧火花沉积装置的阳极相连，在保护气氛下，将电极靠近基体表面，所述的电极在所述的基体表面作规则或不规则移动，最终在所述的基体上形成一个由大量独立微柱体构成的阵列状表面；所述的电极与所述的工作枪相匹配。

【技术特征摘要】
1.一种基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：(1)将块状金属或零件作为基体，将棒状金属作为电极，用砂纸打磨基体和电极表面，去除氧化层，然后清洗去除油污；(2)用微弧火花沉积装置，将步骤(1)所得的前处理后的基体固定于所述的工作台上，将所述的基体与微弧火花沉积装置的阴极相连，所述的棒状金属作为电极固定于工作枪上，所述的工作枪与所述的微弧火花沉积装置的阳极相连，在保护气氛下，将电极靠近基体表面，所述的电极在所述的基体表面作规则或不规则移动，最终在所述的基体上形成一个由大量独立微柱体构成的阵列状表面；所述的电极与所述的工作枪相匹配。2.根据权利要求1所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的电极和基体的材料各自独立为铁基材料、镍基材料、钴基材料、钛基材料、铜基材料、铝基材料或镁基材料。3.根据权利要求2所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的铁基材料为06Cr19Ni10、10Cr17或2Cr13，镍基材料为Inconel625，钴基材料为Stellite6，钛基材料为TC4，铜基材料为H62或T2，铝基材料为7075，镁基材料为AZ31。4.根据权利要求1所述的基于微弧火花沉积技术制备柱状阵列表面的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述的基体的表面是平面或有弧度的曲面。5.根据权利要求1所述的基于微弧火花沉积技术制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维夫，张步康，谢剑舟，韩超，阮文豪，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33