一種表面分級復合材料界面層及其制備方法，屬于材料表面工程技術領域。該表面分級復合材料界面層由分散的硬質第二相和包覆的金屬粘結相的表面復合材料組成，表面分級復合材料界面層為一具有分級結構的硬質第二相次級單元構成的表面復合材料，電火花放電采用硬質第二相粒徑10nm-50μm和致密度50-90％的復合材料電極，在惰性或活性氣氛中放電，逐點逐層沉積硬質第二相次級單元，制備表面分級復合材料。該復合材料界面層利用具有分級結構的硬質第二相次級單元增加界面層剛度，提高了整體涂層的強度；金屬粘結相在變形過程中抑制變形局部化，增強了涂層的塑性變形能力，涂層具有匹配的強塑性性能；表面分級復合材料結構特殊、制備方法簡單，易于工業化應用推廣。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及，用于金屬和金屬基復合 材料零部件耐磨損抗沖擊，屬于材料表面工程
。 技術背景 隨著重大工程裝備的關鍵金屬零部件對耐磨損抗沖擊性能要求的提高，耐磨損抗 沖擊防護涂層作為一種主要的防護手段，不斷面臨著新的挑戰。例如航空發動機耐高溫防 護涂層、核電站核主泵密封和軸承部件耐磨抗沖擊涂層，寬厚板連鑄機結晶器抗沖刷涂層 等。由于傳統耐磨損抗沖擊防護涂層的強度與韌性難以兼顧，高硬度通常伴隨低韌性，始終 存在著涂層與基體間界面強塑性性能不匹配的難題，而且涂層與基體之間界面失配產生的 內應力，導致涂層易于開裂，甚至剝落失效。因此，發展低界面應力且強塑性匹配的復合材 料涂層十分必要。 1995 年，Singh 等美國專利 Method for increasing the surface area of ceramics, metals and composites（US5473138)，專利技術了一種增加陶瓷、金屬和復合材料 表面面積，以及粗糙度精度的激光加工方法。1996年，又在美國專利Method of applying a laser beam creating microscale surface structures prior to deposition of film for increased adhesion（US5558789)中，利用一種金屬、陶瓷和復合材料表面激光加工 的半周期粗糙化結構，增加薄膜或涂層與金屬、陶瓷和復合材料的結合力。隨后，他們在 〈〈Science〉〉上發表了Engineered interfaces for adherent diamond coatings on large thermal-expansion coefficient mismatched substrates論文，提出 了不同于傳統的復合 材料和功能梯度材料的表面復合材料的概念，所報告的表面復合材料涂層，其三維復合結 構只存在于近表面區，可以通過表面改性技術實現。該表面復合材料涂層的顯著特點是基 體與涂層界面具有三維構型，有效改善了涂層與基體間界面失配產生的應力狀態。表面復 合材料涂層的低界面應力狀態，有利于提高涂層的抗沖擊性能，但是界面強塑性匹配問題 仍然存在。 受自然材料微結構特征的啟發，具有分級結構的納米材料強度可以得到顯著提 高，而塑性沒有降低甚至也相應提高。分級結構通常指由納米至微米尺度顆粒或纖維通過 一定作用形成次級結構單元，再通過一定作用形成特殊有序結構的微米及以上尺度材料。 1993 年，Lakes 率先在《Nature》發表了 Materials with structural hierarchy 論文， 介紹了分級結構對體材料性能產生的本質性影響。2008年，Bonderer在《Science》上發表 了''Bioinspired design and assembly of platelet reinforced polymer films，'論文，受： 到自然生物材料貝殼的啟發發展出的一種聚合物增強涂層。2010年，Ji和Gao在《Annual Review of Materials Research》的綜述論文Mechanical principles of biological nanocomposites，強調基于仿生分級結構材料設計思想備受人們的關注和廣泛研究，并成 為解決材料高強度、低韌性矛盾的有效途徑之一。自然界中的許多具有分級結構的生物材 料均表現出高強度及良好的斷裂韌性，2010年，Rabiei在《Acta Biomaterialia》上發表了 Failure mode transition in nacre and bone-like materials 的論文，指出貝殼材料 中的分級結構是導致其具有很大剛度的主要因素。2010年，Wilbrink在《Applied Physics Letters〉〉上發表了 Scaling of strength and ductility in bio-inspired brick and mortar composites的論文，指出存在于貝殼材料中的蛋白質可以在貝殼材料變形過程中 耗散大量能量，同時蛋白質的存在還可以有效抑制變形局部化，極大地提高了貝殼的韌性， 從而使貝殼材料具有良好的強塑性匹配。而對于晶體材料，其塑性變形主要由位錯運動及 其相互作用等演化方式實現。2002年，Zbib在《International Journal of Plasticity》上 發表了A multiscale model of plasticity的論文，指出在外載荷作用下，隨著晶體內部 位錯源都集中在某個活躍滑移系內，材料中開始相應地發生塑性變形及能量局部化，這些 局部化區域大多表現為變形帶形式，由于塑性變形的非均勻性，在變形帶中存在應力-應 變集中，這些區域往往是進一步發生裂紋形核、孔洞增長等失效行為的位置。
技術實現思路
為了克服現有技術中存在的問題，本專利技術提供一種表面分級復合材料界面層及其 制備方法，通過在表面復合材料涂層中引入具有分級結構形成表面分級復合材料界面層， 利用調整表面分級復合材料的分級結構尺度和硬質第二相次級單元分布模式，保證界面區 較強剛度的同時，抑制由位錯塞積導致的局部變形帶產生，保證塑性流動的持續和均勻進 行，提升硬質第二相和粘結相整體的塑性變形能力，從而達到表面涂層與基體間界面具有 良好的強塑性匹配的目的。 本專利技術采用的技術方案是：一種表面分級復合材料界面層，包括分散的硬質第二 相和包覆的金屬粘結相的表面復合材料，表面復合材料是硬質第二相在近表面區呈空間有 序分布的復合材料，硬質第二相為粒徑l〇nm-50 μ m的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物 顆粒，金屬粘結相為高潤濕性的鐵、鈷、鎳純金屬或以鐵、鈷、鎳為基的合金，硬質第二相與 金屬粘結相體積比（35-90)465-10);所述表面分級復合材料為具有分級結構的硬質第二 相次級單元，硬質第二相次級單元的中心間距為D，硬質第二相次級單元最大寬度為L，對 應關系為D = (1-2)L，各硬質第二相次級單元層厚不小于該硬質第二相次級單元內分散的 硬質第二相的粒徑，表面分級復合材料界面層厚度Η為10-500 μ m，與硬質第二相次級單元 最大寬度L之間的對應關系為Η = (0.2-2) L。 所述的一種表面分級復合材料界面層的制備方法采用的制備步驟如下： (a)依據所述具有分級結構的硬質第二相次級單元構成的表面復合材料的要求， 采用真空燒結或惰性氣氛或還原氣氛燒結，制備用于電火花放電沉積的硬質第二相粒徑、 體積比和致密度系列變化的復合材料電極； (b)依次采用所述系列變化的復合材料電極在零部件基體上進行逐點逐層電火花 放電，沉積具有分級結構的硬質第二相次級單元，在惰性或活性氣氛中脈沖放電，單脈沖能 量0. 001-10J，脈沖頻率50-5000HZ，脈沖電流50-1000A，脈沖寬度1-1000 μ S，調整電極掃 描移動速度、橫向平移步長、自轉速度、振動頻率與電火花放電參數相匹配本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種表面分級復合材料界面層，包括分散的硬質第二相(1)和包覆的金屬粘結相(2)的表面復合材料，表面復合材料是硬質第二相在近表面區呈空間有序分布的復合材料，硬質第二相(1)為粒徑10nm?50μm的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物顆粒，金屬粘結相(2)為高潤濕性的鐵、鈷、鎳純金屬或以鐵、鈷、鎳為基的合金，硬質第二相(1)與金屬粘結相(2)體積比(35?90):(65?10)；其特征在于：所述表面分級復合材料為具有分級結構的硬質第二相次級單元(3)，硬質第二相次級單元(3)的中心間距為D，硬質第二相次級單元(3)最大寬度為L，對應關系為D＝(1?2)L，各硬質第二相次級單元(3)層厚不小于該硬質第二相次級單元(3)內分散的硬質第二相(1)的粒徑，表面分級復合材料界面層厚度H為10?500μm，與硬質第二相次級單元(3)最大寬度L之間的對應關系為H＝(0.2?2)L。
【技術特征摘要】
1. 一種表面分級復合材料界面層，包括分散的硬質第二相（1)和包覆的金屬粘結相 (2) 的表面復合材料，表面復合材料是硬質第二相在近表面區呈空間有序分布的復合材料， 硬質第二相（1)為粒徑l〇nm-50 μ m的碳化物、氧化物、氮化物或者硼化物顆粒，金屬粘結 相（2)為高潤濕性的鐵、鈷、鎳純金屬或以鐵、鈷、鎳為基的合金，硬質第二相（1)與金屬粘 結相（2)體積比（35-90) : (65-10);其特征在于：所述表面分級復合材料為具有分級結構的 硬質第二相次級單元（3)，硬質第二相次級單元（3)的中心間距為D，硬質第二相次級單元 (3) 最大寬度為L，對應關系為D = (1-2) L，各硬質第二相次級單元（3)層厚不小于該硬質 第二相次級單元（3)內分散的硬質第二相（1)的粒徑，表面分級復合材料界面層厚度Η為 10-500 μ m，與硬質第二相次級單元（3)最大寬度L之間的對應關系為Η = (0.2-2) L。2. 根據權利要求1所述的一種表面分級復合材料界面層的制備方法，其特征在于：采 用的制備步驟如下： (a) 依據所述具有分級結構的硬質第二相次級單元（3)構成的表面復合材料的要求， 采用真空燒結或惰性氣氛或還原氣氛燒結，制備用于電火花放電沉積的硬質第二相（1)粒 徑、體積比和致密度系列變化的復合材料電極； (b) 依次采用所述系列變化的復合材料電極在零部件基體上進行逐點逐層電火花放 電，沉積具有分級結構的硬質第二相次級單元（3)，在惰性或活性氣氛中脈沖放電，單脈沖 能量0. 001-10J，脈沖頻率50-5000HZ，脈沖電流50-1000A，脈沖寬度1-1000 μ s，調整電極 掃描移動速度、橫向平移步長、自轉速度、振動頻率與電火花放電參數相匹配，逐點逐層沉 積獲得所述表面分級復合材料界面層； (c) 采用常規涂...
【專利技術屬性】
技術研發人員：雷明凱，朱小鵬，朱寶，王桂芹，李昱鵬，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發明
國別省市：遼寧;21
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。