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嫁接纳米材料激光表面改性

导读: 激光表面改性用于材料表面熔覆及合金化时,覆层在缺陷、致密度、晶粒度、与基体结合力等方面与传统热喷涂相比有了明显改善。

  激光表面改性用于材料表面熔覆及合金化时,覆层在缺陷、致密度、晶粒度、与基体结合力等方面与传统热喷涂相比有了明显改善,再加上激光加工的高柔性、高效率、低消耗、无污染及易实现计算机控制等这些“光加工”特点,使之具有很强竞争力。但由于迄今采用的涂覆材料大多为传统的热喷涂用Fe,Ni,Co基合金粉体,颗粒粗细以“目”计算,使得激光高能量密度的作用未充分发挥,激光熔覆层或合金化层的开裂敏感性仍然是困扰国内外研究者的一个难题,也是工程应用及产业化的障碍。

  近年来纳米材料及其应用技术获得了引人注目的发展。由纳米材料的小尺寸效应和表面效应,已经发现:纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低很多,由于颗粒小,纳米微粒表面能高,比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大,而且纳米微粒体积远小于普通粒径材料,因此纳米粒子熔化时所增加的内能小得多,这就使纳米微粒熔点急剧下降。此外由于纳米结构材料中有大量界面,这些界面为原子提供了短程扩散途径,因此纳米材料的固溶扩散能力提高。增强的扩散能力产生的第一个结果是纳米材料的熔凝温度大大降低,此时纳米粒子高的界

  面能成为原子运动的驱动力,有利于界面中的孔洞收缩达到致密化。另外,纳米粒子可作为异质形核的核心,细化一次结晶组织及改变凝固组织的形态等。由上述纳米材料的特征效应,应该可以预见在激光熔覆及合金化中添加适量的纳米材料有可能突破开裂瓶颈,而且纳米颗粒优异的性能有可能进一步改善激光熔覆合金化层的服役性能。国内外文献资料及专利查询结果表明,目前,激光熔覆纳米复合涂层的报道不多见,且主要集中于研究纳米粒子对复合涂层组织的影响及耐磨性能或腐蚀性能的影响,尚未见激光熔覆涂层中纳米抗裂的研究或应用的报道。

  激光表面改性中嫁接纳米材料及纳米技术的另一个重要研究结果是激光的纳米氧化物吸收涂料。在上海市纳米专项资助下,合作研制了对CO2激光吸收率高达约94%的纳米氧化物吸收涂料。在一般激光表面工程的实施过程中,金属表面对CO2激光反射率高达70%故需在待处理表面涂敷一层吸光涂料,但目前国内外吸光涂料均不理想,其中“黑化”涂料在激光处理高温下吸收率仅约44%。而且大多在激光辐照时有反喷、污染等。研制成功的纳米氧化物涂料克服了上述缺点,对促进激光表面改性的发展有重要作用。

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