用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料及其制备方法技术

本发明专利技术实施例公开了一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，所述纳米复合涂料包括骨料和辅料，其中，所述骨料包括纳米氧化钛、纳米稀土氧化物和/或纳米合金粉。本发明专利技术实施例采用纳米稀土氧化物(CeO2)有稳定复合氧化物涂料对红外激光高吸收率的特殊作用；纳米SiO2在激光熔覆及合金化过程中能使熔化表面凝固后保持表面平整；纳米氧化物材料的团聚明显降低基体对红外激光的吸收率及抗裂止裂效应，使预置涂层材料丧失预期的增加光吸收及熔覆过程中不开裂的效应。在上述纳米复合涂料中添加分散剂和包复剂，然后采用高速循环大流量超细纳米级湿法研磨可以避免纳米氧化物的材料团聚。

Nano-composite coatings for laser surface modification and their preparation methods

【技术实现步骤摘要】
用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料及其制备方法
本专利技术实施例涉及工程材料表面改性
，具体涉及一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料及其制备方法。
技术介绍
激光表面处理主要是利用高能密度的激光对金属表面的辐射所产生的物理效应，使金属表面迅速升温，产生相变(LTH)甚至熔融(LC，LA)，气化(LSH)，同时依靠金属基体自身的热传导而快速冷却甚至快速凝固，或由气化时产生的高强等离子体冲击达到改变金属表面组织、结构甚至成分，例如，添加合金成分，从而获得优异服役性能的光加工技术。由于激光表面处理工艺可控性好，加热区域小，对基体热影响小，工件变形小，可在精加工后进行，尤其适合形状复杂的零件、孔、槽内壁等表面改性处理。其中，将激光的光能传化的过程，可用自由电子的经典模型来描述。据此，激光除被金属表面反射部分之外，主要被表层内的电子吸收。一般金属的激光穿透深度小于0.1um。表面层电子吸收激光光子的能量后能量升高，并在极短时间(10-11～10-10S)内通过与晶格碰撞，转化为晶格的振动能，引起材料温度的升高，然后按照热传导的机理，把热能向材料内部传播，使材料表面快速加热，然后自身快速冷却，从而改变材料表面的组织和性能。不同材料对于不同波长的光子的吸收与反射有很大差别。大多数金属对于10.6μm波长的CO2激光的吸收率都很低，反射率高达70％-90％。半导体及光纤激光的波长比CO2激光短，但金属对此激光的吸收率仍较低。由上所述，未经预处理的金属表面对激光束的强烈反射不仅造成了大部分宝贵的激光能量的损失，而且也严重威胁着操作人员的身体健康。因此，在进行激光表面处理时，必须对表面进行预处理，以提高材料对激光吸收率。但多年来普遍采用的磷化及涂敷碳黑或石墨的黑化方法存在一系列问题，如吸收率较低，热稳定性差，随温度升高吸收率下降，清除困难，有污染等缺点。因此，传统的激光表面处理吸收涂料在LTH，LC，LA及LSH处理过程中，吸光效率仍不理想而且激光熔覆层开裂敏感性较大，从而导致容易在镀层中产生裂纹或空隙等缺陷。
技术实现思路
为此，本专利技术实施例提供一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料及其制备方法，以解决现有技术中激光表面处理吸收涂料吸收率低、稳定性差以及抗裂作用差的问题。为了实现上述目的，本专利技术实施例提供如下技术方案：一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，所述纳米复合涂料包括骨料和辅料，其中，所述骨料包括纳米氧化钛、纳米稀土氧化物和/或纳米合金粉。优选的，所述骨料还包括纳米氧化锌、纳米氧化硅和纳米氧化铬中的一种或者几种。优选的，所述纳米稀土氧化物为纳米氧化铈。优选的，所述纳米合金粉包括纳米WC/Co。优选的，所述辅料包括包覆剂、分散剂、乳化剂、防锈剂、粘结剂以及溶剂。优选的，所述包覆剂为聚乙二醇；所述防锈剂为亚硝酸钠；所述粘结剂为PVA；所述溶剂为去离子水。本专利技术实施例还提供一种制备所述的用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料的方法，其特征在于包括先将所述辅料用砂磨机混合形成混合物，然后将所述骨料通过高速循环大流量纳米湿法研磨机充分分散、包复、乳化处理后得到所述纳米复合涂料，其中所述骨料包括纳米氧化钛、纳米稀土氧化物和/或纳米合金粉，其中所述纳米合金粉包括纳米WC/Co。优选的，所述骨料还包括纳米氧化锌、纳米氧化硅和纳米氧化铬中的一种或者几种。优选的，所述纳米稀土氧化物为纳米氧化铈。本专利技术实施例中，WC-Co是高硬度的钴基包覆粉，采用团聚烧结工艺.是碳化钨表面包覆一层作为保护和粘结用的金属钴层，具有极好的抗磨粒磨损和抗高温氧化的能力。也适用于等离子喷涂或超音速喷涂工艺。本专利技术实施例中，涂料体系中骨料是最重要的组成部分，对用于激光表面处理的吸收激光及抗裂涂料尤为至关重要。根据纳米金属氧化物对CO2激光，光纤及半导体激光吸收率较高以及纳米金属碳化物在LC和LA改性层中提高强度抗裂止裂的特点，再根据纳米材料由超细微的粒径所赋于的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、吸收效应等，以纳米氧化物为主适当添加纳米碳化物即为吸收及抗裂涂料的骨料，它决定着吸收及抗裂涂料能高效地吸收激光并有效地抗裂，在高功率激光照射下，有热稳定性好，导热性好，耐高温，不反喷等特点，选用多种纳米氧化物及纳米碳化物进行筛选试验，依据复合涂料的纳米级分散、高的吸收率和抗裂性、贮存稳定性等性能综合比较并优化。本专利技术实施例中，当复合涂料为水性涂料，涂于金属表面会产生闪锈，因而在复合涂料制备中选用抗闪锈剂得以解决。本专利技术实施例中，纳米粒子尺寸微小，纳米级的超细微粉的比表面积相当大，表面自由能高，因而纳米粒子极易呈软团聚状态。纳米粒子的这种特性决定了纳米涂料不可能像普通颜填料与基料通过简单的混配就能得到的。在纳米涂料制备的分散过程中，纳米粒子相的分散有相互关连的三个过程：1、润湿分散，即以润湿剂、分散剂置换原来在纳米粒子表面的空气等，并为分散和稳定过程作好准备；2、分散研磨，即通过高速分散研磨设备对纳米粒子施加高速的剪切力，使呈软团聚状态的纳米粒子打开成为初级粒子，同时以分散剂、包覆剂来吸附并包覆在初级粒子表面周围；3、分散稳定，即分散剂、包覆剂吸附并包覆在纳米粒子表面周围，以纳米初级粒子表面周围电层的斥力和空间位阻效应的屏蔽作用，将纳米粒子分散稳定。本专利技术实施例中，为了使纳米材料得到很好的分散，要选用合适的分散剂，选用的分散剂P是一种阴离子型高分子表面活性剂，加入到水相体系中。在连续相水中，其水溶液浸润分散吸附并完全展布于纳米粒子表面，能适当降低纳米粒子的表面能，并使纳米粒子周围电层带负电荷，这样使纳米粒子间相互排斥，阻止纳米粒子进一步团聚。同时采用包覆剂对纳米粒子进行表面包覆处理，选用的包覆剂E是一种非离子型高分子表面活性剂，其在一定浓度的水溶液中可以“渗透”到纳米粒子表面周围，并在纳米粒子表面周围形成一层水合层，犹如包覆上一层极薄的薄膜，这样纳米粒子间产生一定的位阻效应，屏蔽减弱纳米粒子间吸引力，阻挡纳米粒子的彼此团聚。上述电荷相斥效应与位阻效应的协同作用，使纳米粒子在涂料中呈现纳米尺寸的分散性和稳定性。本专利技术实施例具有如下优点：本专利技术实施例采用纳米稀土氧化物(CeO2)有稳定复合氧化物涂料对红外激光高吸收率的特殊作用；纳米SiO2在激光熔覆及合金化过程中能使熔化表面凝固后保持表面平整；纳米氧化物材料的团聚明显降低基体对红外激光的吸收率及抗裂止裂效应，使预置涂层材料丧失预期的增加光吸收及熔覆过程中不开裂的效应。本专利技术实施例采用高速循环大流量超细纳米级湿法研磨可以保持预置涂层复合新材料中纳米材料的纳米吸光效应及纳米抗裂止裂效应；在激光冲击强化中，宜采用本专利技术纳米复合涂料，确保冲击强化层中产生高位错密度及高残余压应力，从而使关键机械零部件的服役性能达到极限值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。图1为本专利技术实施例提供的纳米氧化物吸收涂料的原子力显微镜图；图2为本专利技术实施例提供的同一纳米氧化物吸收涂料原子力显微镜部分分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述纳米复合涂料包括骨料和辅料，其中，所述骨料包括纳米氧化钛、纳米稀土氧化物和/或纳米合金粉。

【技术特征摘要】
1.一种用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述纳米复合涂料包括骨料和辅料，其中，所述骨料包括纳米氧化钛、纳米稀土氧化物和/或纳米合金粉。2.如权利要求1所述的用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述骨料还包括纳米氧化锌、纳米氧化硅和纳米氧化铬中的一种或者几种。3.如权利要求1所述的用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述纳米稀土氧化物为纳米氧化铈。4.如权利要求1所述的用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述纳米合金粉包括纳米WC/Co。5.如权利要求1所述的用于激光表面改性工艺中的纳米复合涂料，其特征在于，所述辅料包括包覆剂、分散剂、乳化剂、防锈剂、粘结剂以及溶剂。6.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：张光钧，张浩，戴琼，
申请(专利权)人：张浩，
类型：发明
国别省市：上海,31