本发明专利技术公开了基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法和装置，涉及材料表面技术领域。本发明专利技术的特征在于借助激光诱导力学效应将预涂在金属基体表面的纳米金属粉、纳米非金属粉或其复合的纳米粉嵌入到金属基体表层或冷焊到其表面，在金属基体表面形成一层致密的纳米颗粒增强层或包覆层，统称纳米涂层，同时金属基体也受到激光冲击强化的作用。本发明专利技术的装置包括三维六轴工作台、水槽、夹具、热电偶、同轴同步送水器、激光光束聚焦系统、４５°全反镜、激光光束优化系统和纳秒激光器。本发明专利技术制得的表面纳米涂层与基体间界面结合牢固，金属基体表面力学性能得到显著提高。此工艺过程简单，成本较低，易于实现自动化，适于大规模批量化生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料表面
，特指基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法和装置，其主要是利用激光诱导的力学效应改变材料表面组织和成分以增强金属材料 表面性能。
技术介绍
由于纳米涂层具有良好的耐磨耐蚀性能、隔热性能、抗热振性能以及优异的力学 性能，引起了国内外众多研究者的重视，已开始研究制备纳米涂层的方法。高温制备纳米涂 层的方法主要有热喷涂、激光熔覆纳米颗粒等，但这些方法在高温作用下容易使纳米粉末 发生氧化、相变、晶粒长大等不利于纳米涂层制备的现象，而且由于纳米涂层材料与基体的 热膨胀失配，容易在界面产生热应力；与热喷涂技术相比，低温冷喷涂制备纳米涂层可以避 免喷涂粉末的氧化、相变、晶粒长大等现象，但是只能喷涂金属等塑性粉末，陶瓷或者类似 陶瓷的硬质材料无法制备厚涂层，而且并非任何基体均可制备涂层。此外，热喷涂和冷喷涂 方法还需要将纳米粉经过造粒制成微米粉后才能施喷，不仅过程繁琐，而且影响了纳米涂 层的性能。其他纳米涂层的制备方法还有溶胶_凝胶、电化学沉积等，这些方法制备的纳米 涂层与基体结合强度不高，对环境也有一定的污染。因此，发展一种高性能纳米涂层的低温 绿色制备技术是目前亟待解决的问题。 专利申请号为200410009189. 7的中国专利"一种加速制备合金涂层的方法"是 将装有介质球、复合粉剂和待处理零件的封闭容器置于加热炉内，在加热的同时借助机械 振动装置的振动带动介质球产生往复运动，撞击封闭容器内的复合粉剂和试样，通过热能 和机械撞击的结合，使扩散、反应、烧结等多个物理化学过程同时进行而形成含有纳米氧化 物的涂层。该方法由于受到容器大小的限制难以处理大尺寸的零件，而且需要加热与气体 保护，耗能耗气。另外，日本学者Sergey Komarov申请的专利JP2006"017502是通过振动 发声器使容器内的弹丸以高速撞击带有预置涂层粉末的材料表面，借助弹丸的机械力将纳 米粉末压入材料表层，来提高材料的表面性能。但该方法冲击力较小，应变率较低，大约 103_104s—、使涂层界面结合相对较弱，不宜制备较厚涂层，效率也较低，而且难以处理形状 复杂的零部件。 针对以上问题，本专利技术提出基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法和装 置，主要是利用激光诱导等离子体冲击波产生的强力学效应，以超高的应变率(106-107s—0 作用在材料表面，使表面预涂的纳米粉末嵌入到基体表层或冷焊到其表面，形成纳米颗粒 增强层或包覆层。此外，高幅激波能够引起基体材料表层结构与应力的变化，起到纳米强化 与形变强化的双重作用。本专利技术不仅显著提高了纳米涂层的界面结合强度和力学性能，而 且拓宽了激光冲击的应用范围。此工艺过程简单，无污染，易于实现自动化，适于大规模批 量化生产。因此，通过本专利技术可以在金属基体表面制备出高性能的纳米涂层，满足实际应用 的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有材料表面改性方法中存在的问题，提供一种基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法和装置，借助激光诱导力学效应将预涂在金属基体表面的纳米金属粉、纳米非金属粉或其复合的纳米粉嵌入到金属基体表层或冷焊到其表面，在金属基体表面形成一层致密的纳米颗粒增强层或包覆层，同时基体表面也受到激光冲击强化的作用。其步骤为 1)选取用于表面处理的纳米粉； 2)选取待处理的金属基体，并对金属基体进行前处理，包括打磨，抛光，然后用酒 精在超声波中清洗干净； 3)将步骤1)选取的纳米粉配制成酒精悬浊液涂在步骤2)处理好的金属基体上， 静置晾干； 4)用黑漆将步骤3)准备好的涂有纳米粉的金属基体表面整个包裹起来，同时黑 漆作为吸收层； 5)利用激光光束优化系统进行激光束的优化选择，使得输出激光束在空间上均匀 分布，经过45。全反镜导光，然后通过激光聚焦系统将激光束聚焦； 6)将步骤4)处理后的用黑漆包裹的表面涂有纳米粉的金属基体固定在工作台 上，选择合适的激光冲击参数和工作台移动速度，用纳秒激光器进行激光冲击处理，利用激 光冲击波力效应在金属基体表面制备纳米涂层。 所述的纳米金属粉主要为Fe粉、Ti粉、Ni粉、Cu粉、Co粉、W粉、Mo粉、Zn粉、Cu-Zn合金粉、Fe-Ni合金粉；纳米非金属粉主要为C纳米管、羟基磷灰石粉，A1203、 Si02、Zr02、 Hf02、 A1N、 TiN、 BN、 Si3N4、 TiC、 WC、 SiC、 TiB2、 ZrB2硬质陶瓷粉；纳米复合粉为上述纳米金属粉与纳米非金属粉中两种或两种以上的混合粉。所述的纳米粉平均尺寸为10nm-200nm，预涂厚度为40 y m_500 y m。所述的金属基体为Mg及Mg合金，Al及Al合金，Ti及Ti合金，Cu及Cu合金，Ni及Ni合金，铸铁或钢。 所述的吸收层为具有粘结功能的非水溶性的黑漆涂层。 所述的纳秒激光器冲击工艺参数为激光脉宽5ns-40ns，功率密度lGW/cm2-10GW/ cm、光斑直径lmm-10mm，搭接率10% -90%。计算机控制的三维六轴工作台移动速度为 0. 2mm/s-5mm/s ;对于复杂零件，工作台要进行旋转。 所述的实施该方法的装置包括三维六轴工作台(1)、水槽(2)、夹具(4)、热电偶 (5)、同轴同步送水器(10)、激光聚焦系统(12) 、45°全反镜(13)、激光光束优化系统和纳 秒激光器(21)，其中在计算机控制的三维六轴工作台(1)上放置一个侧面底端带有出水管 (3)的水槽(2)，水槽(2)底部自带夹具(4)固定用黑漆(8)包裹的表面涂有纳米颗粒(7) 的金属基体(6)，在金属基体(6)正上方设有激光冲击约束层(9)、激光聚焦系统(12)和 45°全反镜(13)，在45°全反镜(13)的一侧是激光光束优化系统以及纳秒激光器(21); 在纳米颗粒(7)与金属基体(6)界面处设置一热电偶(5)。 所述的激光冲击约束层采用流水，同轴同步送水器(10)同轴同步送水，四个送水 口在激光头圆周方向均匀分布，且紧随激光冲击区域的水约束层厚度均匀，为lmm-2mm。5 所述的激光光束优化系统包括由凸透镜B(17)和凸透镜C(18)组成的滤波器(19)和由一个凹透镜(15)与凸透镜A(14)组成的准直扩束镜(16)。 基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法和装置其优点主要在于 1)本专利技术是利用强激光诱导的冲击波力学效应进行表面处理的先进技术，属于非接触式加工，绿色无污染。 2)本专利技术的制备方法是结合激光冲击和表面纳米改性两者的优点提出的，该方法 能够有效改变金属基体表层的组成和组织，起到纳米强化与形变强化的双重作用，而且显 著提高了纳米涂层的界面结合强度与力学性能；同时纳米预涂层的存在也能避免金属基体 表面受到热损伤。 3)激光冲击约束层采用流水，确保水清洁，通过同轴同步送水的方式，该种方式能 够确保紧随激光冲击区域的水约束层厚度均匀，为lmm-2mm。 4)具有粘结功能的非水溶性黑漆涂层不仅能作为能量吸收层，而且能够有效保护 预涂在金属基体表面的纳米颗粒，避免受到流水的冲刷。 5)采用计算机控制的三维六轴工作台，可大面积制备表面纳米涂层，效率高，同时 也可以处理形状复杂的零件表面。附图说明 图1为基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备装置的本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于超快超高压光力学效应的纳米涂层制备方法，其特征在于借助激光诱导力学效应将预涂在金属基体表面的纳米金属粉、纳米非金属粉或其复合的纳米粉嵌入到金属基体表层或冷焊到其表面，在金属基体表面形成一层致密的纳米颗粒增强层或包覆层，同时金属基体也受到激光冲击强化的作用。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：崔承云，张永康，崔熙贵，张朝阳，鲁金忠，钱晓明，管海兵，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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