專利名稱：一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法
技術領域：
本發明涉及一種制備功能梯度復合涂層的方法，尤其涉及一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法。
背景技術：
復合涂層，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在基材表面沉積具有全新性能的涂層。由于組成復合涂層的各種材料在性能上互相補充與協調， 使復合涂層的綜合性能優于原組成材料，可以滿足各種不同的工況要求。因此，復合涂層在航空航天、機械制造、冶金、化工與電力等易磨損與易腐蝕的關鍵零部件的表面強化與修復領域具有廣闊的應用前景。目前，制備復合涂層的方法主要有電鍍、火焰噴涂、電弧焊與激光熔覆等。其中，電鍍雖然工藝成熟、操作方便，但是強化相顆粒在涂層內分布不均勻且含量偏低，與基體的結合力較差，易剝落?；鹧鎳娡考訜釙r間長，導致強化相顆粒燒損嚴重，耐磨性能較低，而且表面粗糙，孔隙率高。電弧焊的熱源輸入功率較大，不但使強化相顆粒發生大量的燒損，導致涂層的硬度與耐磨性降低，而且易使涂層的稀釋率與基材的熱影響區變大，導致基材發生嚴重的變形。激光具有能量密度高的優點，采用激光熔覆可以制備與基材呈冶金結合的復合涂層。但是，激光熔覆快速加熱與快速凝固的特點，使制備的復合涂層易產生裂紋?；诖耍谠O定的距離內通過連續地或不間斷地改變材料的成分和組織結構而形成具有成分梯度、結構梯度或功能梯度的不均勻體，從而消除連續兩層間的界面，將復合涂層內的熱應力降低到最小程度，從而獲得無氣孔與無裂紋以及滿足構件對各部分材料的不同要求的功能材料受到了研究者的廣泛關注。但是，將濾膜技術引入工藝成熟、操作方便、 成本低廉的電鍍或化學鍍技術中，形成一種全新的工藝“滲透鍍”來制備強化相顆粒沿涂層厚度方向呈梯度分布的功能梯度復合涂層還未見文獻報道。

發明內容
本發明的目的在于提供一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，采用該方法制備的復合涂層具有化學成分、組織結構以及力學性能、高溫性能沿涂層厚度方向呈梯度連續變化的特點，克服了傳統電鍍、化學鍍復合涂層內強化相含量低、分布不均勻以及與基體結合力低的缺點，消除了復合涂層內連續兩層間的界面應力，避免了基體和強化相熱膨脹系數不匹配而產生的熱應力，從而獲得無氣孔、無裂紋以及綜合性能優異的復合涂層。本發明是這樣來實現的，其特征是方法步驟為
(1)對基材表面進行前處理，主要包括以下工藝噴砂或拋光、除油、浸蝕與弱浸蝕，若基材為鋁合金或鎂合金時，還需進行閃鍍銅或預鍍中性鎳；基材可以為黑色金屬及合金、有色金屬及合金，若基材為鋁合金或鎂合金時，還需進行閃鍍銅或預鍍中性鎳；
(2)采用噴涂或滾涂的方法使強化相顆粒在滲透膜表面的分布密度增加(Γ90%，然后將滲透膜放置在基材表面，其中強化相顆?？梢詾檠趸锶?amp;02與々1203，碳化物如SiC、WC與TiC，硼化物如TiB2與0 ，硅化物如MoSi2與FeSi，金屬間化合物如Fe3AUNi3Al與Ti3Al, 以及金剛石、碳納米管等；
(3)將基材放置于配制好鍍液的鍍槽中進行滲透鍍，其中配制好的鍍液可以為電鍍鎳液、電鍍鉻液與電鍍銅液或化學鍍鎳液、化學鍍鉻液與化學鍍銅液；
(4)當滲透鍍完一層之后，去除滲透膜，檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2) - (3)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。所述的強化相顆粒呈梯度分布于電鍍層或化學鍍層內，并沿涂層厚度方向呈(Γ90 vol. %分布。在進行所述的步驟(2)時，通過調節噴涂氣壓或滾涂速度，使強化相顆粒在滲透膜表面的分布密度增加(Γ90%，且強化相顆粒位于滲透膜與基材或涂層表面之間。在進行所述的步驟(2)時，滲透膜材質可采用有機膜如纖維素與聚酰胺等，也可采用無機膜如&02、ΑΙ203與TiA等陶瓷膜；滲透膜結構可采用管式、板框式和卷式；滲透膜孔徑為5ηπΓ50 μ m,強化相顆粒粒徑為8ηπΓ70 μ m。在進行所述的步驟(3)時，配制好的鍍液若為電鍍鎳液時，其配方為硫酸鎳26(T330g/L，氯化鈉12 25g/L，硼酸32 42g/L，糖精0. 2 1. 2g/L，十二烷基硫酸鈉 0.05、. lg/L，電鍍液pH值4 5，溫度15 55°C;若為化學鍍銅液時，其配方為硫酸銅5 8 g/ L，氫氧化鈉；T6g/L升，甲醛4 7g/L，乙二胺四乙酸二鈉12 16g/L，氰化鈉0. θΓθ. 03g/L，化學鍍液PH值12-12. 5，溫度IOH本發明的優點(1)采用該方法制備強化相含量高達90vol. %且沿涂層厚度方向呈梯度分布的復合涂層，操作方便、不需攪拌；(2)強化相與基體的結合力高，復合涂層無氣孔與無裂紋且具有優異的力學性能與高溫性能；(3)復合涂層表面平整、光亮，無需再加工與拋光處理；(4)對工件尺寸、形狀無限制，可修復磨損和加工失誤的工件，甚至可以加工盲孔和形狀復雜的內腔。


圖1為本發明的一種滲透電鍍制備功能梯度復合涂層的裝置示意圖。圖2為本發明的強化相顆粒均勻分布于滲透膜表面的示意圖。圖3為本發明的一種滲透化學鍍制備功能梯度復合涂層的裝置示意圖。
具體實施例方式實施例1
采用滲透電鍍在平板狀工件GH4169鎳基高溫合金表面制備M-SiC功能梯度復合涂層，該涂層的厚度為2mm，其中平均粒徑為IOnm的強化相SiC顆粒沿涂層厚度方向呈 0 90vol.%的梯度分布。本實施例的實施過程為，如圖1與圖2所示。(1)基材表面的前處理。將GH4169鎳基高溫合金1表面進行噴砂或拋光、除油、浸蝕與弱浸蝕處理；
(2)采用噴涂或滾涂的方法使平均粒徑為IOnm的強化相SiC顆粒9在滲透膜10表面的分布密度增加(Γ90%，然后將滲透膜放置在GH4169鎳基高溫合金1表面，其中滲透膜的孔徑為6nm，材質為有機膜聚酰胺，結構采用板框式；
(3)將粘附有滲透膜10 (其表面分布有強化相SiC顆粒9)的GH4169鎳基高溫合金1 放置于安裝有恒溫水浴堝3的電鍍槽6內，并與電源2的陰極相連作為陰極材料5，鎳板與電源2的陽極相連作為陽極材料7，然后進行電鍍，電鍍時的電流密度為450A/m2。其中，電鍍鎳液11的配方為硫酸鎳300g/L，氯化鈉18g/L，硼酸35g/L，糖精0. 8g/L，十二烷基硫酸鈉0.088/1，電鍍液？!1值4.5。另外，溫度計1測量電鍍槽6內電鍍鎳液11的溫度，加熱器 4對恒溫水浴堝3進行加熱，并使電鍍槽6內電鍍鎳液11的溫度為45°C。(4)當滲透電鍍完一層之后，去除滲透膜10，調節噴涂氣壓或滾涂速度使強化相 SiC顆粒9在滲透膜10表面的分布密度增加5% ；
(5)檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(3) —(4)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。實施例2
采用滲透化學鍍在圓棒狀工件45鋼表面制備Cu-TiB2功能梯度復合涂層，該涂層的厚度為1. 5mm，其中平均粒徑為40 μ m的強化相TW2顆粒沿涂層厚度方向呈(T90vol. %的梯度分布。本實施例的實施過程為，如圖2與圖3所示。(1)基材表面的前處理。將45鋼1表面進行噴砂或拋光、除油、浸蝕與弱浸蝕處理；
(2)采用噴涂或滾涂的方法使平均粒徑為40μ m的強化相TiB2顆粒9在滲透膜10表面的分布密度增加0 90%，然后將滲透膜放置在45鋼1表面，其中滲透膜10的孔徑為25 μ m, 材質為無機TW2陶瓷膜，結構采用卷式；
(3)將粘附有滲透膜10(其表面分布有強化相TW2顆粒9)的45鋼1放置于安裝有恒溫水浴堝3的化學鍍槽6內進行滲透化學鍍。化學鍍銅液11的配方為硫酸銅6g/L，氫氧化鈉5g/L，甲醛6g/L，乙二胺四乙酸二鈉14g/L，氰化鈉0. 02g/L，化學鍍液pH值12。另外，溫度計1測量化學鍍槽6內化學鍍銅液11的溫度，加熱器4對恒溫水浴堝3進行加熱， 并使化學鍍槽6內化學鍍銅液11的溫度為25°C。( 4 )當滲透化學鍍完一層之后，去除滲透膜10，調節噴涂氣壓或滾涂速度使強化相 TiB2顆粒9在滲透膜10表面的分布密度增加9% ；
(5)檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(3) —(4)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。
權利要求
1.一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，其特征是方法步驟為(1)對基材表面進行前處理，主要包括以下工藝噴砂或拋光、除油、浸蝕與弱浸蝕，基材可以為黑色金屬及合金、有色金屬及合金，若基材為鋁合金或鎂合金時，還需進行閃鍍銅或預鍍中性鎳；(2)采用噴涂或滾涂的方法使強化相顆粒在滲透膜表面的分布密度增加(Γ90%，然后將滲透膜放置在基材表面，其中強化相顆?？梢詾檠趸锶?amp;02與々1203，碳化物如SiC、WC與 TiC，硼化物如TiB2與0 ，硅化物如MoSi2與FeSi，金屬間化合物如Fe3AUNi3Al與Ti3Al, 以及金剛石、碳納米管；(3)將基材放置于配制好鍍液的鍍槽中進行滲透鍍，其中配制好的鍍液可以為電鍍鎳液、電鍍鉻液與電鍍銅液或化學鍍鎳液、化學鍍鉻液與化學鍍銅液；(4)當滲透鍍完一層之后，去除滲透膜，檢測涂層的厚度是否達到預期的厚度要求，如果沒有，重復步驟(2)- (3)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。
2.根據權利要求1所述的一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，其特征是所述的強化相顆粒呈梯度分布于電鍍層或化學鍍層內，并沿涂層厚度方向呈(Γ90 vol. %分布。
3.根據權利要求1所述的一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(2)時，通過調節噴涂氣壓或滾涂速度，使強化相顆粒在滲透膜表面的分布密度增加(Γ90%，且強化相顆粒位于滲透膜與基材或涂層表面之間。
4.根據權利要求1所述的一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(2)時，滲透膜材質可采用有機膜如纖維素與聚酰胺等，也可采用無機膜如 ZrO2^Al2O3與TW2等陶瓷膜；滲透膜結構可采用管式、板框式和卷式；滲透膜孔徑為5ηπΓ50M m，強化相顆粒粒徑為8ηπΓ70 μ m。
5.根據權利要求1所述的一種滲透鍍制備功能梯度復合涂層的方法，其特征是在進行所述的步驟(3)時，配制好的鍍液若為電鍍鎳液時，其配方為硫酸鎳^KT330g/L，氯化鈉 12 25g/L，硼酸32 42g/L，糖精0. 2 1. 2g/L，十二烷基硫酸鈉0. 05 0. lg/L，電鍍液pH值 Γ5，溫度15 55°C ；若為化學鍍銅液時，其配方為硫酸銅5、g/L，氫氧化鈉3飛g/L升，甲醛4 7g/L，乙二胺四乙酸二鈉12 16g/L，氰化鈉0. θΓθ. 03g/L，化學鍍液pH值12-12. 5，溫度 10^35 0C ο
全文摘要
本發明公開了一種在電鍍或化學鍍中使用滲透膜制備功能梯度復合涂層的方法，該方法適用于各種電鍍或化學鍍零部件的表面強化、裝飾與修復，其特征是方法步驟為(1)基材表面進行噴砂或拋光、除油、浸蝕與弱浸蝕處理；(2)采用噴涂或滾涂的方法使強化相顆粒在滲透膜表面的分布密度增加0~90%，然后將滲透膜放置在基材表面；(3)在配制好鍍液的鍍槽中進行滲透鍍；(4)重復步驟(2)－(3)，直到涂層達到所要求的厚度；否則，工作結束。本發明的優點是(1)復合涂層與基材結合強度高，不易剝落，且強化相顆粒沿鍍層厚度方向呈梯度分布，最外層含量高達90vol.%；(2)復合涂層表面硬度可達55－80HRC，耐鹽霧試驗達30－12000小時，在高溫1100℃時連續工作達4000小時；(3)表面平整、光亮，無需再加工與拋光處理；(4)工件尺寸、形狀不受限制，且滲透鍍的過程中不變形，可以修復磨損和加工失誤的工件，若采用滲透化學鍍還可加工較深的盲孔和形狀復雜的內腔。
文檔編號C23C18/31GK102383115SQ20111035225
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者劉德強, 周圣豐, 戴曉琴 申請人:南昌航空大學