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基于激光扫描的纳米陶瓷涂层及纳米结构块体制备技术的基础研究

花国然  
【摘要】: 纳米材料表现出许多不同于传统材料的新奇特性,世界范围内掀起了对纳米材料的研究热潮。本文总结了等离子喷涂、激光重熔、纳米材料等技术的研究与发展,提出了在等离子喷涂基础上,利用激光重熔制备纳米改性涂层的新思路;将快速成型应用于纳米材料加工,进行了纳米材料的激光烧结快速成型技术的基础试验研究,所完成的工作主要有: 1.在分析纳米材料已有烧结理论的基础上,结合激光加工中有关热传导理论,建立了纳米材料在激光作用下晶粒尺寸变化的数学模型。对不同加工参数变化下的晶粒直径尺寸进行了数值计算,提出了晶粒长大简化数学模型,对生产或实验中参数的优化或选择,晶粒大小的预测与控制具有实际意义。 2.利用等离子喷涂技术,设计了合理的涂层材料体系,制备了Al_2O_3,NiCrAl/Al_2O_3,NiCrAl/Al_2O_3+13%wt.TiO_2,NiCrAl/WC-Co四种涂层。对四种涂层的组织结构、界面结合能力进行了测试与分析。 3.提出了一种纳米改性涂层的复合工艺方案和技术路线。以纳米为填料,在激光重熔等离子涂层的同时,将纳米材料熔覆在等离子喷涂层表面或渗入等离子喷涂层内部。获得了在该工艺下的纳米改性陶瓷系列涂层,实验验证了该工艺的可行性。 4.采用X射线衍射、扫描电镜、能谱仪等,对陶瓷系列涂层的微观组织与结构进行了详细分析。结果表明,激光重熔后,含纳米的各种涂层致密化程度明显提高,晶粒得到明显细化。研究发现,在各种涂层中纳米颗粒明显填充在粗颗粒间,构成晶间型组织结构;初步测试还表明,在Al_2O_3+13%wt.TiO_2渗入纳米SiC的涂层中,存在Al_2O_3与SiC纳米构成晶内型组织结构的可能性;在Al_2O_3+13%wt.TiO_2渗入纳米Al_2O_3的涂层表面形成了一纯纳米Al_2O_3薄层,构成了纳米-纳米间的复合。同时,研究还发现,分布在粗颗粒间大间隙内的纳米颗粒也构成了微区内的纳米-纳米复合。探讨了这些组织与结构的形成机理以及对涂层性能的潜在影响。测试了纳米颗粒在涂层中的分布及渗入的深度(70μm以上)。验证了各种参数选择的合理性与数学模型的正确性与准确性。 5.对所制备的纳米复合系列陶瓷涂层进行了性能测试。与相应等离子喷涂层相比,硬度测试表明,含纳米Al_2O_3或SiC的各种复合涂层硬度提高了0.6-1.5倍左右;耐磨性测试表明,小功率下单纯的激光重熔耐磨性提高了30%,而纳米渗入后涂层的耐磨性提高了1.3-5倍左右,对耐磨性提高的机理作了进一步的探索和分析研究;耐蚀性测试表明,经激光熔覆纳米渗入后的各种涂层耐蚀性能提高了4倍以上,同时涂层厚度、表面质量对腐蚀性能有影响。 6.基于选择性激光快速成型技术,提出了纳米材料选择性激光烧结制备块体纳米结构材料的新工艺。制备了多种块体或薄层试件,并作了相关测试。研究结果表明,激光烧结在保证晶粒尺寸不致长大,快速制备块体材料上有独特的优势。 基于激光扫描的纳米陶瓷涂层和纳米结构块体制备技术的基础研究 7.发现了在激光烧结过程中的SIC纳米线,并对纳米线的形成作了简要分析。 纳米技术与激光技术或快速成型技术的复合,及其在纳米涂层、块体和薄膜制备 中的应用是一个新的研究领域,有很多问题需要探索和解决。本课题的研究为这些技 术的进一步开发打下了基础,无疑对传统产业的提升,产品质量的改善,新的工艺方 法的探索,具有十分重要的意义,并为这些技术在制造业及其它领域的早日应用奠定 了理论与实验基础。


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